热电材料的游戏规则改变者:解耦电子和热输运

• 新型热电材料可以为诸如手表等由身体热量驱动的个人设备解锁

卧龙岗大学的一项新研究克服了热电材料的一项重大挑战，这种材料可以将热转化为电，反之亦然，转换效率提高60%以上．

目前和潜在的未来应用范围从低维护的固态制冷到紧凑的零碳发电，其中可能包括由人体自身热量驱动的小型个人设备。

“电子(基于电子的)和热(基于声子的)传输的解耦将是这个行业的游戏规则改变者，”UOW的王晓林教授说。

热电应用和挑战

碲化铋基材料(Bi₂Te_3.,某人₂Te_3.及其合金)是最成功的商业热电材料，目前和未来的应用分为两类:将电转化为热，反之亦然:

• 将电转化为热:可靠、低维护的固态制冷(热泵)，无移动部件、无噪音、无振动。
• 将热量转化为电能，包括利用各种热源进行无化石能源发电，或利用环境温度或人体温度为微型设备“免费”供电。

热量“收集”利用了由身体热量、汽车、日常生活和工业过程提供的免费、丰富的热源。在不需要电池或电源的情况下，热电材料可以用于为偏远、难以接近的位置的智能传感器供电。

热电材料的一个持续挑战是电学和热性能的平衡:在大多数情况下，材料电学性能的改善(更高的导电性)意味着热性能的恶化(更高的导热性)，反之亦然。

“关键是要解耦热输运和电输运，”第一作者、博士生杨广赛说。

通过解耦提高效率

UOW超导和电子材料研究所(ISEM)的这个为期三年的项目找到了一种方法来解耦并同时提高热性能和电子性能。

该团队利用纳米缺陷工程和结构设计，在碲化铋基热电材料中添加了少量非晶态纳米硼颗粒。

采用放电等离子烧结(SPS)方法制备了非晶态纳米硼颗粒。

通讯作者王晓林教授解释说:“这降低了材料的导热性，同时增加了它的电子传输。”

“热电材料工程的秘密在于操纵声子和电子的传递，”王教授解释道。

由于电子既导热又导电，仅基于电子传递的材料工程容易在热学和电学性质之间进行长期的权衡。

另一方面，声子只携带热量。因此，阻挡声子输运降低了晶格振动引起的热导率，而不影响电子性能。

杨广赛说:“提高热电效率的关键是通过声子阻塞最小化热流，并通过(电子传输)最大化电子流。”“这就是我们材料中创纪录的高热电效率的起源。”

结果表明，该材料的转化效率达到了创纪录的11.3%，比现有的区熔法制备的材料提高了60%。

作为最成功的商业热电材料，碲化铋基材料也是典型的拓扑绝缘体。

这项研究

纳米缺陷结构的块状BiSbTe/非晶硼复合材料的超高热电性能发表于先进能源材料并被选为11月版的封面故事。DOI 10.1002 / aenm.202000757

以及来自澳大利亚研究理事会(未来奖学金，卓越中心和联动基础设施设备和设施项目)的资金由中国留学基金委而且国家自然科学基金．

实验设施包括卧龙岗大学电子显微镜中心的技术支持澳大利亚显微和微量分析中心(ACMM)在悉尼大学。

舰队的新材料研究

新颖的原子薄材料的性质在FLEET研究，澳大利亚研究理事会卓越中心，在该中心的使能技术A．

未来低能耗电子技术中心(FLEET)是由100多名研究人员组成的合作机构，旨在开发超低能耗电子产品，以应对计算中能源使用的挑战，计算已经消耗了全球8%的电力，并且每十年就会翻一番。

项目负责人和合著者王晓林教授领导着FLEET的卧龙岗大学节点，并领导着使能技术团队开发新型原子薄材料，支持FLEET对超低能量电子产品的搜索，在卧龙岗大学管理新型二维材料的合成和表征

更多的信息

• 联系王晓林教授(ISEM)xiaolin@uow.edu.au
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