维也纳工业大学的研究人员发现，镍金合金作为热电材料表现优异，在将热量转化为电能方面具有无与伦比的效率。这一发现挑战了热电学中金属的传统观点，并为其在各种技术中的应用开辟了新的可能性。镍金合金热电效应示意图。图片来源:Fabian Garmroudi
热电材料可以将热能直接转化为电能，热电材料的技术潜力备受关注。维也纳工业大学的研究人员探索了不同的金属合金，以找到最有效的热电材料。
镍和金的混合物被证明特别有前途。研究人员最近在著名的《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果。
利用热电发电并不是什么新鲜事。自20世纪中期以来，它们被用于在太空探索中产生电能，但热电也用于便携式冰箱等日常应用。此外，它们还可以用于工业环境，将废热转化为绿色电力，这只是潜在应用之一。
热电的工作原理
热电效应是基于带电粒子从材料较热的一面迁移到较冷的一面的运动。这就产生了一个电压——所谓的热电电压——它抵消了载流子的热激发运动。
热电电压与温差的比值定义了塞贝克系数，以德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克的名字命名，是材料热电性能的重要参数。这里的重要要求是正电荷和负电荷之间存在不平衡，因为它们相互补偿。
Michael Parzer, Fabian Garmroudi和Andrej Pustogow(左起)，背景是一张元素周期表，显示了所有固体元素的电子结构。来源:TU Wien
该研究的第一作者Fabian Garmroudi解释说:“尽管塞贝克在200多年前就发现了普通金属中的热电效应，但现在金属几乎不被认为是热电材料，因为它们通常具有非常低的塞贝克系数。”一方面，铜、银或金等金属具有极高的导电性;另一方面，它们的塞贝克系数在大多数情况下都很小。
性能优异的镍金合金
来自维也纳固体物理研究所(TU Wien)的物理学家们现在已经成功地发现了具有高导电性和特大塞贝克系数的金属合金。磁性金属镍与贵金属金的混合从根本上改变了电子性质。
当加入约10%的镍时，金的淡黄色立即消失，热电性能迅速提高。塞贝克效应增强的物理根源在于电子的能量依赖散射行为——一种与半导体热电效应根本不同的效应。
描述所有固体元素电子结构的元素周期表。来源:Fabian Garmroudi, Michael Parzer, Andrej Pustogow
由于镍原子的特殊电子特性，正电荷比负电荷散射得更强，导致所需的不平衡，从而产生高热电电压。
“想象一下两个选手之间的比赛，一个人在自由跑道上跑，但另一个人必须通过许多障碍。“当然，自由跑道上的人比对手前进得快，对手必须放慢速度，更频繁地改变方向，”该研究的资深作者安德烈·普斯托戈(Andrej Pustogow)比较了金属热电中的电子流。在本文研究的合金中，正电荷被镍电子强烈散射，而负电荷几乎可以不受干扰地移动。
破纪录材料
极高的导电性和同时高塞贝克系数的结合导致镍金合金的热电功率因数值创纪录，远远超过传统半导体。
“使用相同的几何形状和固定的温度梯度，可以产生比任何其他已知材料多出许多倍的电力，”Fabian Garmroudi解释说。此外，高功率密度可能使未来大规模领域的日常应用成为可能。Andrej Pustogow举了一个例子:“以目前的性能为例，智能手表已经可以利用佩戴者的体温自动充电了。”
镍金只是一个开始
“尽管黄金是一种昂贵的元素，但我们的工作代表了概念的证明。我们能够证明，不仅半导体，而且金属也能表现出良好的热电性能，使它们与各种应用相关。该研究的主要作者之一迈克尔·帕泽(Michael Parzer)解释说:“金属合金与半导体相比具有各种优势，特别是在热电发电机的制造过程中。”
事实上，研究人员能够通过实验证明镍金合金是非常好的热电材料，这并非巧合。“甚至在开始我们的实验工作之前，我们就用理论模型计算了哪些合金是最合适的，”Michael Parzer透露。目前，该小组还在研究其他不需要昂贵元素金的有前途的候选物质。
参考文献:“通过带间散射在金属NiAu合金中的高热电性能”，作者:Fabian Garmroudi, Michael Parzer, Alexander Riss, c
dric bourg
， Sergii Khmelevskyi, Takao Mori, Ernst Bauer和Andrej Pustogow, 2023年9月15日，Science Advances。DOI: 10.1126 / sciadv.adj1611
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