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卓越的新材料将热量变为世界纪录率的电力

时间：2022-03-14 11:25:09 来源：

这是他实验室中的恩斯特鲍尔教授。

一种新型材料从温度差异非常有效地产生电流。这允许传感器和小处理器无线能量提供能量。

热电材料可以将热量转换为电能。这是由于所谓的塞贝克效应：如果这种材料的两端之间存在温度差，则可以产生电电压，并且电流可以开始流动。可以通过所谓的ZT值测量可以在给定温差处产生的电能量：材料的ZT值越高，其热电性能越好。

迄今为止最佳的热电标在ZT值约为2.5至2.8。Tu Wien（维也纳）的科学家现在已经成功地开发了一个完全新的材料，ZT值为5比6。它是一种薄的铁，钒，钨和铝，施加到硅晶体上。

新材料如此有效，可用于为传感器甚至小型计算机处理器提供能量。而不是将小电气设备连接到电缆，而是可以从温度差异产生自己的电力。新材料现已在“自然”中呈现。

电力和温度

“良好的热电材料必须显示出强大的塞贝克效应，它必须满足两个难以调和的重要要求，”涂尔特维恩固态物理研究所的Ernst Bauer说。“一方面，它应该尽可能地进行电力;另一方面，它应该尽可能糟糕地运输热量。这是一项挑战，因为导电性和导热性通常是密切相关的。“

在2013年在Tu Wien的Christian多普勒实验室进行热电，在过去几年中已经研究了不同应用的不同热电材料。该研究现已导致了一种特别显着的材料 - 铁，钒，钨和铝的组合。

“该材料中的原子通常以所谓的面对立方格的立方格形式以严格规则的图案布置，”Ernst Bauer说。“两个铁原子之间的距离总是相同的，而其他类型的原子也是如此。因此，整个水晶完全是规则的。“

然而，当将材料的薄层应用于硅时，发生了惊人的事情：结构在根本上变化。尽管原子仍然形成立方模式，但是现在它们以空心为中心的结构布置，并且不同类型原子的分布变得完全随机。“两个铁原子可以彼此静置，它们旁边的位置可以由钒或铝占据，并且不再有任何规则，其中在晶体中发现下一根铁原子的规则，”鲍尔解释道。

这种规则性和原子布置的不规则性的混合物也改变了电子结构，这决定了电子在固体中的移动。“电荷以特殊方式通过材料，从而防止散射过程。通过材料行进的电荷部分被称为Weyl Fermions，“Ernst Bauer说。以这种方式，实现了非常低的电阻。

另一方面，晶格振动，通过晶体结构中的不规则抑制从高温的地方到低温的地方运输热量。因此，导热率降低。如果要永久地从温差产生电能 - 因为如果温度差异很快，并且整个材料在任何地方的温度很快就会平衡，则热电效果将静止。

用于互联网的电力

“当然，这种薄层不能产生特别大量的能量，但它具有极其紧凑和适应的优点，”Ernst Bauer说。“我们希望用它来为传感器和小型电子应用提供能量。”对这种小型发电机的需求快速增长：在“互联网上，”越来越多的设备在线链接在一起，以便他们自动互相协调其行为。这对未来的生产工厂特别有前途，其中一台机器必须动态地反应另一台机器。

“如果您在工厂中需要大量的传感器，则无法将所有传感器连接在一起。鲍尔说，传感器能够能够产生自己的电力，更聪明。“

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参考：“由B.Hingerleitner，I.Knapp，M. Poneder，Yonggeng Shi，H.Müller，G.Eguchi，C. Eisenmenger-Sittner，M.Stöger-Plarach，Y. Kakefuda，N. Kawamoto，Q. Guo，T.Baba，T. Mori，Sami Ullah，xing-Qiu Chen和E. Bauer，2019年11月13日，Nature.Doi：
10.1038 / s41586-019-1751-9

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