硒化锡材料成为回收利用废热领域研究领跑者。图片来源：美国西北大学

化石燃料通过生成热量造就了现代社会，但这一过程中的大部分热量都被浪费了。研究人员试图使用被称为“热电”的半导体设备回收一些热量，但它们中的大多数仍旧十分低效且昂贵。

现在，美国西北大学及密歇根大学组成的跨学科研究团队报告称，他们利用一种廉价的常见材料（SnSe）获得了高达2.6的ZT值，创造了迄今为止回收效率最高的热电转换材料。研究结果发表在4月17日在线出版的《自然》杂志上（Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13184），该项研究的负责人为西北大学化学家Mercouri G. Kanatzidis，论文的第一作者为西北大学的博士后赵立东。研究人员称，在该过程中，他们获得了宝贵的经验，最终可以使该材料的效率满足大范围应用的需求。若能实现大范围应用，热电在将来可以为汽车提供动力，并回收锅炉和电厂等释放出的能量。

热电设备是半导体厚片，这些半导体有着奇怪却有用的特性：在其一边加热可以产生电压，用于驱动电流和电力设备。为了获得电压，热电必须是良好的电导体以及不好的热导体。不幸的是，材料的电导性和热导性往往齐头并进，因此热电效率高的材料很难获得。科学家通常用ZT值标记热电转换元件性能的系数，数值越大说明热电转换性能越高。大范围应用热电的ZT值最低应达到3。原来的最高值为2.4，于2001年公布，此次（ZT=2.6）刷新了这个保持了13年的纪录。

此次开发的材料是硒化锡（SnSe）单晶体，并不是新材料。2012年9月，由Mercouri G. Kanatzidis领导的团队发现了碲化铅（PbTe）的ZT值可达2.2（Nature, 2012, 489, 414-418, DOI: 10.1038/nature11439），Kanatzidis和同事很受鼓舞，并开始测试PbTe的化学近亲。其中一种就是SnSe。研究人员用不同方法合成SnSe样品。结果显示，高达2.6的ZT值是在斜方晶系晶体的b轴方向上测得的，而c轴（主轴）方向上为2.3，a轴方向更是大幅降低至0.8。该研究表明，ZT值所呈现的如此之大方向依存性，原因在与Sn与Se的结合形态。在b轴方向上，Sn与Se形成锯齿状曲折的结合形状，晶格振动（声子）非常小，使电子容易流动，从而减弱SnSe的导热能力。

2001年发布的ZT值为2.4的材料是具有超晶格结构的薄膜P 型Bi₂Te₃/Sb₂Te₃ 半导体材料，这种结构中，碲化铋（Bi₂Te₃）与碲化锑（Sb₂Te₃）以非常薄的状态互相层积（Nature, 2001, 413, 597-602, DOI: 10.1038/35098012）。这种材料很难实现量产，在实用方面无法发挥出色的性能。

而这次的材料价格低廉，材料结构也很简单，因此将会给产业界带来巨大冲击。利用温度差的能量来获得电力转化效率可通过高温端与低温端的温度比TC/Th和ZT来计算，TC/Th=0.5、ZT=2.6时，转换效率约为18%。

相关阅读：

美国西北大学官网报道（英文）

美国研发创新型热电材料，ZT值达2.2

东京大学研究人员试制出“温度变化”发电器件

京瓷开发出ZT值接近1的热电转换元件

 NEC与日本东北大学开发出自旋热电转换元件

（来源：综合《中国科学报》、日经技术在线）