科學家突破熱電材料瓶頸！雙晶混合技術讓發電效率翻倍

研究團隊近期發表一項重大突破，透過混合兩種機械特性迥異但電子特性相似的材料，成功將熱電材料的轉換效率提升超過100%。這項刊登於《自然通訊》的研究，為物聯網裝置的供電技術帶來革命性進展。

熱電材料能直接將熱能轉換為電能，特別適合為物聯網中的微型感測器供電。但要提升效率，材料必須同時滿足兩個矛盾需求：既要阻斷晶格振動導致的熱傳導，又要維持電荷的自由流動。過去數十年來，這個矛盾特性始終是科學界難以突破的瓶頸。

由Fabian Garmroudi博士領導的國際團隊開發出創新的混合材料解決方案。他們將鐵釩鉭鋁合金(Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅)粉末與鉍銻合金(Bi₀.₉Sb₀.₁)粉末混合，在高溫高壓下壓製成新型複合材料。由於兩種材料的化學與機械性質差異，鉍銻合金會優先沉積在鐵釩鉭鋁合金晶體的微米級介面上。

研究發現，兩種材料晶格結構的顯著差異，使得熱振動難以在晶體間傳遞，大幅抑制了介面熱傳導。同時，由於電子結構相似，電荷載子不僅能自由移動，更會沿著介面加速傳輸。這是因為鉍銻合金形成「拓撲絕緣體」相態，這種特殊量子材料內部絕緣但表面能實現近乎零損耗的電荷傳輸。

「這種熱傳導與電荷傳輸的定向解耦，讓我們成功將材料效率提升一倍以上。」目前任職於美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Garmroudi博士表示。相較於1950年代開發、至今仍是業界標準的碲化鉍材料，這種新型混合材料不僅更穩定，成本也更低。

這項研究獲得Lions Award支援，並在日本筑波市的物質材料研究機構完成關鍵實驗。團隊相信，這項突破將加速熱電技術在物聯網、穿戴裝置等領域的商業化應用。