熱電材料自制“土”儀器，未來發展不可限量

熱電材料自制“土”儀器，未來發展不可限量

熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料，1823年發現的塞貝克效應和1834年發現的帕爾帖效應為熱電能量轉換器和熱電制冷的應用提供了理論依據。用掌心的溫熱，就能讓一個小小電扇轉起來，這就是熱電材料的神奇之處。這種能源材料，在太空、環保領域有著的用途。二十多年前，中國在這一領域完全不被重視，如今中國研制的熱電材料、熱電器件的性能已領跑世界。帶動國內這一領域發展的“排頭兵”中有一位從日本留學歸來的研究者———中科院上海硅酸鹽研究所研究員陳立東。

在納米和原子尺度尋找熱電器件

利用熱能發電的傳統方法，就是將水加熱變成蒸汽，再用蒸汽推動渦輪來發電。可有些材料卻可以直接用熱能激發電子，形成電流。早在1821年，科學家就發現了這種奇特的“熱電效應”———如果人類可以利用這種方式發電，那么很多現在廢棄的熱能，都能充分利用起來。比如，工廠里現在很難回收利用的200℃至400℃的余熱，乃至汽車尾氣、垃圾焚燒等余熱也都能“變廢為寶”。

“早在本世紀初，美國國家航空航天局(NASA)噴氣推進實驗室(JPL)就成立了研究小組，專門從事空間應用熱電技術的研發?！标惲|2001年剛被中科院以“百人計劃”從日本引進回國時，中國在這一領域接近空白?！爱敃r，老院士嚴東生先生熱切地支持我回國，新能源材料領域中國是短板，他說未來這會非常重要，我們應該在中國發展這一領域?！?/p>

要做出轉化效率高、性能穩定的熱電器件非常困難。首先，要尋找一種高性能熱電材料———它必須同時是熱的絕緣體和電的良導體?？茖W家需要在納米和原子尺度，尋找可將熱導率降低到極限，同時又能保持良好的電導率和熱電勢(由溫差產生的電壓)的晶體材料。而在制備熱電器件時，要綜合考慮熱電材料、導電電極、焊接材料等多種材料的熱膨脹、電阻、熱阻等各種參數，器件制造過程中任何一點小的瑕疵就可能扼殺熱電材料的功能。

“這些‘婆婆媽媽’的小細節，每一個都影響著熱電器件最后的性能?！标惲|說，很多看起來高大上的創新，實際上是探索過程中的“摸爬滾打”，看起來真有點“土”。

自制儀器讓學生們深入了解測量原理

陳立東的實驗室看起來有點“土”，里面有不少他帶著學生自制的設備。

其中一間實驗室里，一臺紅外測溫設備搭建了一半———這是準備用來探測微小電流下產生的微小溫差的?！澳壳?，熱電器件的性能上還沒有標準的測量方法?！标惲|說。

陳立東回國時，中科院為他配備了200萬元人民幣啟動經費，并招好了研究生，這使他的研究工作得到無縫銜接?？墒?，新型熱電材料的許多性能，沒有現成的商業儀器可以測試。他只能帶學生自己設計并搭建設備，直到現在還是如此。

這些自制的儀器即使不再使用，也將繼續留在實驗室，讓新入學的研究生用來了解測量原理和測量方法。陳立東說，新的測量設備自動化程度很高，用起來的確方便，可自制儀器卻能讓學生們深入了解其中的原理。

這十幾年間，陳立東課題組將熱電器件的轉換效率從不到6%，提升到了12%，這是目前世界熱電器件轉化效率的最高值。同時，他還在基礎理論上獲得了突破———發現新型高性能熱電材料，曾獲得國家自然科學二等獎。

如今，國內整個熱電領域的研究人員較十幾年前已經增長了幾十倍，中國在這個領域的影響力正在不斷增大，陳立東也先后當選熱電學會理事和亞洲熱電聯盟主席。

前來尋求產業化合作的美國、日本企業已有不少，國內企業也漸漸出現?！艾F在國內的工業基礎與二十年前相比已經大幅提升，國內企業對新技術敏感性也日益增進。”他說，目前熱電材料的民用化產品在也剛起步不久，他希望中國企業可以接上這一棒，把科研的優勢延續到產業界。

編輯點評

隨著空間探索興趣的增加、醫用物理學的進展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動，需要開發一類能夠自身供能且無需照看的電源系統，熱電發電對這些應用尤其合適。熱電材料制備的微型元件用于制備微型電源、微區冷卻、光通信激光二極管和紅外線傳感器的調溫系統，大大拓展了熱電材料的應用領域。因此，熱電材料是一種有著廣泛應用前景的材料，在環境污染和能源危機日益嚴重的今天，進行新型熱電材料的研究具有很強的現實意義。