鎳-鐵坡莫合金與矽組合,科學家開發高效熱電設備

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 16 日 12:28 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

利用稱為「Rashba 自旋塞貝克效應(Rashba spin-Seebeck effect)」的現象,加州大學河濱分校機械工程學家開發出能夠將低溫廢熱轉化為電能的商業設備,應用機會比如:電腦晶片、汽車發動機、太陽能電池等,此外,也能使用同技術生產相對經濟的熱電製冷機。



市場上應用的熱電發電機已算可靠,比如提供無人太空船所需電力的放射性同位素熱電機、用來回收汽車無用廢熱能的汽車熱電機等,但使用上仍受限於材料成本及複雜性。

現在加州大學河濱分校機械工程學助理教授 Sandeep Kumar 領導的團隊,利用鎳-鐵坡莫合金(nickel-iron Permalloy)與矽的組合開發出熱電設備,可帶來更好的熱電能量轉換率,使各種商業應用成為可能,比如:將熱電設備整合至電腦晶片,把熱能轉為電源;汽車發動機的熱可成為汽車電子設備與冷卻系統的電力來源;光伏太陽能電池最頭痛的難題——無法吸收的熱能也能轉換成電,提高整體轉換效率。

坡莫合金也稱透磁合金,由約 80% 鎳和 20% 鐵構成,貝爾電話實驗室物理學家古斯塔夫·埃爾門於 1914 年發明。坡莫合金具有非常高的導磁率,使其可作為電氣電子設備中的磁芯材料,也可當作阻擋磁場的磁屏蔽。

研究人員在實驗中創造了超薄鎳鐵坡莫合金雙層夾層與 P 型矽,坡莫合金層厚度約 25 奈米,矽者厚度分別為100 奈米、25 奈米、5 奈米(作為比較,頭髮厚度約 200 微米= 200,000 奈米),接著將熱能加到金屬層,基於一種稱為自旋塞貝克效應的物理現象,熱能夠在矽層中產生電壓,團隊並於 5 奈米厚的矽層中測得最大電壓。

Sandeep Kumar 表示,這種設備就算在溫度梯度小的情況下也能發電,比如電腦晶片通常加熱到 60℃ 左右,周圍溫度可能是 25℃,此時熱電設備就能利用溫度差將原本浪費的熱能轉換成電;汽車發動機溫度梯度更大,當周圍環境 25℃ 時,發動機溫度可能高達 100℃,此時設備轉換的電甚至可支撐冷卻系統。

團隊接下來將探索在自旋熱電設備中有效、大量且價格低廉的材料。

(首圖來源:加州大學河濱分校