清洁能源突破：东京理科大学和埼玉大学首创新型横向热电转换技术

盖世汽车讯 据外媒报道，东京理科大学（Tokyo University of Science）和埼玉大学（Saitama University）的研究人员在半金属二硅化钨（WSi2）中实现了横向热电效应（TTE）。此前研究已证实了WSi2的轴相关传导极性（ADCP），但早期试验未确定这种效应的来源和预期TTE。这项研究发表在期刊《PRX Energy》上。

（图片来源：东京理科大学）

热电材料可以收集废热并将其转化为有用的电能。这些材料对于会产生大量废热的行业和发动机车辆尤其有价值，通过将多余的热量转化为额外的动力来提高能源效率。这些材料还具有便携式发电的潜力，可用于卫星和远程传感器，而传统电源可能无法用于这些领域。

传统的热电装置（也称为并联热电装置）产生的电压与热流方向相同。通常情况下，这些装置使用p型和n型两类材料，可以产生相反方向的电压。将这些材料串联起来，可以产生更高的电压。然而，更多的接触点会导致电阻增加，从而降低功率输出。

与之相反，横向热电装置可以产生垂直于热流的电能，从而允许以更少的连接实现更高效的热电转换。具有“ADCP”或角极导体的材料，在一个方向上传导正电荷（p型），在另一个方向上传导负电荷（n型），是富有前景的横向热电装置候选材料。然而，到目前为止，关于TTE的直接演示并不多。

该团队负责人、东京理科大学副教授Ryuji Okazaki表示：“作为能够测量温度和热流的传感器的新核心技术，横向热电转换现象日益受到关注。然而，这种材料的数量有限，并且尚未创建设计指南。这是首次直接演示WSi2中的横向热电转换。”

研究人员结合计算机模型和实际测试来检验WSi2的特性。他们在低温下研究WSi2单晶沿其两个晶体轴的热电势、电阻率和热导率。他们发现，WSi2的ADCP源于其独特的电子结构，包括混合维费米表面。这种结构证明了电子和空穴（正载流子）存在于不同维度。费米表面（Fermi surface）是一种假设的几何表面，将固体物质中载流子的占据和未占据电子态分开来。在WSi2中，空穴产生准二维费米表面，而电子产生准一维费米表面。这些特殊费米表面产生的定向导电性使TTE效应成为可能。

与早期研究一致，研究人员还注意到在不同样品之间这些载流子的电导率存在差异。研究人员通过第一性原理模拟证明，这些差异是由WSi2晶体晶格结构中的缺陷导致载流子散射方式变化而引起的。

对于改进材料和创造可靠的热电装置，这一认识十分重要。他们还展示了通过沿相对于两个晶体轴的特定角度施加温度差，在WSi2中直接产生TTE，从而产生垂直于温度差的电压。

Ryuji Okazaki表示：“结果表明，WSi2是TTE基装置富有前景的候选材料。我们希望这项研究能够促进新型传感器的开发，以及发现新型横向热电材料。”

通过阐明WSi2中TTE的产生机制，这项研究推动了能够更有效地将热能转化为电能的先进材料的发展，有助于实现更加绿色的未来。