热电偶的发热

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想象一下,能够为你的汽车提供动力,部分原因是发动机发出的热量。或者,如果你能从发电厂发出的热量中得到你家的一部分电能呢?这样的节能方案可能有一天可能会改进热电材料-自发产生电时,材料的一面加热。

在过去的60年中,科学家们研究了许多材料来表征它们的热电势,或者它们将热量转化为能量的效率。但到目前为止,这些材料中的大多数已经产生了效率太低,不能用于任何广泛的实际使用。

麻省理工物理学家现在已经找到了一种显著提升热电潜力的方法,这是他们今天在科学进展中报道的理论方法。用这种方法制造的材料是五倍的效率,并且可能产生两倍的能量,作为当今存在的最好的热电材料。

麻省理工学院电子研究实验室的一位博士后布莱恩·斯金纳说:“如果一切都能实现我们最疯狂的梦想,那么突然间,很多事情现在效率太低,无法做得更有效。”“你可能会在人们的汽车里看到小的热电回收器,你的汽车引擎会把余热带走,然后用它来给电池充电。或者这些设备可以放在发电厂周围,这样以前被核反应堆或煤电厂浪费的热量就会被回收并投入电网。“

Skinner的论文作者是梁付,美国麻省理工学院物理学发展副教授莎拉·W·比登哈恩。

在理论中寻找漏洞

一种材料从热产生能量的能力是基于存在温度差时电子的行为。当热电材料的一侧被加热时,它可以激励电子从热侧跳跃,并积聚在冷侧。由此产生的电子可以产生可测量的电压。

迄今为止已经探索的材料产生了非常小的热电功率,部分原因是电子相对难以进行热激发。在大多数材料中,电子存在于特定的带或能量范围内。每个带被一个缝隙隔开——一个电子不能存在的小范围的能量。使电子足够能穿过带隙并在物质上物理迁移是非常具有挑战性的。

Skinner和傅决定研究一种被称为拓扑半金属的材料的热电势。与大多数其他固体材料(如半导体和绝缘体)相比,拓扑半金属是唯一的,因为它们具有零带隙-能量结构,使得电子能够在加热时容易跃迁到更高能量带。

科学家们认为,拓扑半金属是一种在实验室中大量合成的相对较新的材料,不会产生大量的热电能。当材料在一侧加热时,电子被激发,并在另一端积累。但是,当这些带负电荷的电子跃迁到更高的能量带时,它们留下了所谓的“空穴”——正电荷的粒子也堆积在材料的冷侧,抵消了电子的作用,最终产生很少的能量。

但球队还没有准备好打折这种材料。在一个不相关的研究中,Skinner注意到半导体暴露在强磁场中的奇特效应。在这样的条件下,磁场可以影响电子的运动,弯曲它们的轨道。Skinner和傅想知道:磁场在拓扑半金属中有什么样的作用?

他们查阅了文献,发现来自普林斯顿大学的一个团队试图在一个磁场中测量出一种被称为铅锡硒化物的拓扑材料,并在2013的磁场下测量了它的热电性能。在他们对材料的许多观察中,研究人员已经报告了热电产生的增加,在非常高的35特斯拉磁场下(大多数MRI机器,为了比较,操作在2到3特斯拉)。

Skinner和傅从普林斯顿研究中使用了材料的性质,在理论上模拟了材料在温度和磁场条件下的热电性能。

“我们最终发现,在强磁场下,一个有趣的事情发生了,在那里你可以使电子和空穴朝相反的方向移动,”Skinner说。电子朝向冷侧,向热侧倾斜。它们共同工作,从原理上讲,通过使磁场更强大,可以从同一材料中获得越来越大的电压。

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