想像如下情景：你不依靠傳統的電力運行空調，
而是依靠溫暖的夏日裡太陽的熱量運轉空調。
隨著熱電技術的進步，
這種可持續的解決方案可能有一天會成為現實。
熱電器件由能夠將溫度差轉化為電力的材料製成， 而不需要任何移動部件 – 這一性質使得熱電體成為潛在的具有吸引力的電源。 這種現象是可逆的：如果給熱電器件通電， 就會產生溫差。 現今， 熱電器件被用於相對較低功率的應用， 例如沿著輸油管線為小型感測器供電， 在空間探測器上作為備用電池， 以及用於冷卻微型流體。
但是科學家們希望能夠設計出更強大的熱電設備來收集熱量， 這些熱量是工業生產過程和內燃機的副產品， 並且把那些浪費的熱量轉化為電力。 然而， 熱電器件的效率或者它們能夠產生的能量的量目前是有限的。
現在， 麻省理工學院的研究人員們已經發現了一種使用具有獨特電子屬性的“拓撲”材料將效率提高三倍的方法。 儘管以往的工作已經表明拓撲材料可以用作有效的熱電系統， 但是對於這種拓撲材料中的電子將如何響應於溫度差而流動以產生熱電效應， 幾乎沒有研究。
麻省理工學院的研究人員們正在尋找將熱量轉化為電能的方法， 在某些拓撲材料中找到了或許可行的可能性（Image：Christine Daniloff / MIT）圖片來源: Christine Daniloff / M麻省理工學院
本周發表在“Proceedings of the National Academy of Sciences”上發表的一篇論文（“Electron mean-free-path filtering in Dirac material for improved thermoelectric performance”）中， 麻省理工學院的研究人員門確定了與現有設備相比， 某些潛在的特性使得某些拓撲材料成為具有更高效率的熱電材料。
麻省理工學院機械工程系博士後Te-Huan Liu說：“我們發現， 我們可以推動這種納米結構材料的界限，
一個 “自由路徑”測量方法
當熱電材料中存在溫度梯度時 - 例如， 一端被加熱， 而另一端被冷卻時， 該材料中的電子開始從熱的一端流到冷的一端， 產生電流。 溫差越大， 產生的載流子就越多， 產生的功率越大。 可以產生的能量多少取決於給定材料中電子的特定傳輸特性。
科學家們已經觀察到， 一些拓撲結構材料可以通過納米結構製成高效率的熱電器件， 科學家們用這種技術通過在納米尺度上對其特徵進行圖案化來合成材料。
為了回答這個問題， Liu和他的同事們研究了碲化錫的熱電性能， 這是一種被認為是一種很好的熱電材料的拓撲結構材料。 碲化錫中的電子也顯示出類比一類被稱為狄拉克（Dirac）材料的拓撲材料的獨特性質。
該團隊旨在通過類比電子穿過材料的方式來瞭解納米結構對碲化錫熱電性能的影響。 為了表徵電子傳輸， 科學家經常使用一種稱為“平均自由路徑”的測量方法， 或者一個平均距離， 所述平均距離為一個具有給定能量的電子在一個材料中被多種目標物或缺陷散射前自由傳播的平均距離。
納米結構的材料類似於微小的晶體拼湊而成， 每個都有邊界， 稱為晶界， 晶界將一個晶體與另一個晶體分開。 當電子遇到這些邊界時， 它們傾向於以各種方式散射。 具有長的平均自由程的電子將強烈地散射， 就像彈出牆壁的子彈一樣， 而具有較短平均自由程的電子則受到的影響要小得多。
在他們的模擬中， 研究人員們發現碲化錫的電子特性對其平均自由程有顯著的影響。 他們繪製了碲化錫的電子能量範圍與相關平均自由程的關係曲線， 並發現得到的圖形與大多數常規半導體的曲線非常不同。 具體而言， 對於碲化錫和其他拓撲材料， 結果表明， 具有較高能量的電子具有較短的平均自由程， 而較低能量的電子通常具有較長的平均自由程。
研究小組通過本質上歸納總結具有不同能量和平均自由程的電子的熱電貢獻，研究了這些電子性質如何影響碲化錫的熱電性能。事實證明，材料在溫度梯度下導電或產生電子流動的能力在很大程度上取決於電子能量。
具體而言，他們發現較低能量的電子傾向於對電壓差的產生以及進一步電流的產生負面影響。這些低能量的電子同時也具有較長的平均自由程，意味著它們可以比高能電子更密集地被晶界分散。
縮小尺寸
在他們更進一步的模擬中，該團隊使用了碲化錫單個晶粒的尺寸，看它是否對溫度梯度下的電子流動有任何影響。他們發現，當他們將平均粒徑縮小到10納米左右時，它們的邊界更接近，他們觀察到高能電子的貢獻增加。
也就是說，隨著晶粒尺寸的減小，高能電子比低能電子對材料的導電貢獻更大，因為它們具有較短的平均自由程，並且不太可能散射到晶界。這導致可能產生較大的電壓差。
另外，研究人員們發現，將碲化錫的平均晶粒尺寸減小到10納米左右，產生的電量是採用大晶粒產生的電量的三倍。
Liu說，雖然結果是基於模擬的，但是研究人員們可以通過一些方法來實現類似的性能。所述方法可以是合成碲化錫和其他拓撲材料，以及使用納米構造技術來調整它們的晶粒尺寸。其他研究人員認為，縮小材料的晶粒尺寸可能會增加其熱電性能，但Liu說，他們主要假設理想的尺寸遠遠大於10納米。
“在我們的模擬中，我們發現我們可以縮小拓撲材料的晶粒尺寸，而且基於這個概念，我們可以提高效率。
碲化錫僅僅是許多尚未探索的拓撲材料的一個例子。如果研究人員們能夠確定這些材料的理想晶粒尺寸，Liu說，拓撲材料可能很快成為生產清潔能源的可行的，更有效的替代方案。
“我認為拓撲結構材料對於熱電材料非常有用，而且我們的結果表明這對於未來的應用來說是非常有前途的材料”，Liu說。
原文連結：（https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=49150.php）
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而較低能量的電子通常具有較長的平均自由程。研究小組通過本質上歸納總結具有不同能量和平均自由程的電子的熱電貢獻，研究了這些電子性質如何影響碲化錫的熱電性能。事實證明，材料在溫度梯度下導電或產生電子流動的能力在很大程度上取決於電子能量。
具體而言，他們發現較低能量的電子傾向於對電壓差的產生以及進一步電流的產生負面影響。這些低能量的電子同時也具有較長的平均自由程，意味著它們可以比高能電子更密集地被晶界分散。
縮小尺寸
在他們更進一步的模擬中，該團隊使用了碲化錫單個晶粒的尺寸，看它是否對溫度梯度下的電子流動有任何影響。他們發現，當他們將平均粒徑縮小到10納米左右時，它們的邊界更接近，他們觀察到高能電子的貢獻增加。
也就是說，隨著晶粒尺寸的減小，高能電子比低能電子對材料的導電貢獻更大，因為它們具有較短的平均自由程，並且不太可能散射到晶界。這導致可能產生較大的電壓差。
另外，研究人員們發現，將碲化錫的平均晶粒尺寸減小到10納米左右，產生的電量是採用大晶粒產生的電量的三倍。
Liu說，雖然結果是基於模擬的，但是研究人員們可以通過一些方法來實現類似的性能。所述方法可以是合成碲化錫和其他拓撲材料，以及使用納米構造技術來調整它們的晶粒尺寸。其他研究人員認為，縮小材料的晶粒尺寸可能會增加其熱電性能，但Liu說，他們主要假設理想的尺寸遠遠大於10納米。
“在我們的模擬中，我們發現我們可以縮小拓撲材料的晶粒尺寸，而且基於這個概念，我們可以提高效率。
碲化錫僅僅是許多尚未探索的拓撲材料的一個例子。如果研究人員們能夠確定這些材料的理想晶粒尺寸，Liu說，拓撲材料可能很快成為生產清潔能源的可行的，更有效的替代方案。
“我認為拓撲結構材料對於熱電材料非常有用，而且我們的結果表明這對於未來的應用來說是非常有前途的材料”，Liu說。
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