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拓扑材料提高了热电器件的效率三倍

麻省理工学院的研究人员正在寻找将热能转化为电能的方法,在某些拓扑材料中寻找有效的可能性。图片来源:ChristineDaniloff/麻省理工学院

如果你的空调不是用传统的电力来运行,而是在温暖的夏天和太阳的热量下运行怎么办?随着热电技术的进步,这种可持续的解决方案有朝一日可能成为现实。

热电装置由可将温差转换为电能的材料制成,无需任何活动部件-mdash;使热电材料成为潜在吸引力的电源的品质。这种现象是可逆的:如果向热电装置施加电力,则会产生温差。今天,热电设备用于相对低功率的应用,例如沿着输油管道为小型传感器供电,在空间探测器上备份电池,以及冷却微型电容器。

但科学家们希望设计更强大的热电设备这将收获热量—作为工业过程和内燃机的副产品生产的-—把那些浪费的热量转化为电能。然而,热电装置的效率或它们能够产生的能量目前是有限的。

麻省理工学院的研究人员已经发现了一种方法,使用“拓扑”材料将效率提高三倍,它具有独特的电子特性。虽然过去的工作表明拓扑材料可以作为有效的热电系统,但是对于这种拓扑材料中的电子如何响应温度差异以产生热电效应几乎没有了解。

在本周发表于美国国家科学院院刊的一篇论文中,麻省理工学院的研究人员确定了与现有设备相比,使某些拓扑材料成为潜在更有效的热电材料的基本特性。

“我们已经我们发现,我们可以推动这种纳米结构材料的界限,使拓扑材料成为一种优质的热电材料,比传统的半导体半导体更为突出,“麻省理工学院机械工程系博士后刘德焕说。“最后,这可能是一种清洁能源方式,帮助我们使用热源发电,这将减少我们释放的二氧化碳。”

刘是该论文的第一作者,其中包括研究生周嘉伟,丁志伟,宋启琛;李明达,核科学与工程系助理教授;前研究生BolinLiao,现任加州大学圣巴巴拉分校助理教授;Biedenharn物理学副教授梁富;和陈刚,Soderberg教授和机械工程系主任。

自由行走的路径

当热电材料暴露在温度梯度下时-—例如,一端加热,另一端冷却-mdash;该材料中的电子开始从热端流向冷端,产生电流。温差越大,产生的电流越大,产生的功率越大。可以产生的能量取决于给定材料中电子的特定传输特性。

科学家已经观察到,一些拓扑材料可以通过纳米结构制成有效的热电器件,这是科学家们使用的一种技术。通过在纳米尺度上图案化其特征来合成材料。科学家们认为拓扑材料”热电优势来自其纳米结构中的导热率降低。但目前尚不清楚这种效率提升如何与材料固有的拓扑性质相关联。

为了试图回答这个问题,刘和他的同事们研究了碲化镉的热电性能,这是一种拓扑材料。众所周知,它是一种很好的热电材料。碲化锡中的电子也具有模仿一类称为Dirac材料的拓扑材料的独特性质。

(责任编辑:彩久彩票)

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