突破性混成熱電材料：解耦熱與電傳輸，效率翻倍

熱電材料能將熱能直接轉換為電能，這項特性使其在物聯網（IoT）領域極具潛力，例如可為微型感測器等電子元件提供自主能源供應。然而，提升材料效率需同時抑制晶格振動的熱傳導並增強電子遷移率——這正是長期困擾研究人員的關鍵難題。

由Fabian Garmroudi領軍的國際團隊，近期在《自然通訊》發表突破性成果。他們透過創新方法開發出混成材料，成功達成「降低晶格振動相干性」與「提升載子遷移率」雙重目標。其秘訣在於：混合兩種機械性質迥異但電子特性相似的材料。

「優良熱電材料需兼具高導電性與低導熱性，這看似矛盾——因為導電性佳的材料通常導熱性也好。」Garmroudi解釋。這位曾任職維也納工業大學、現為洛斯阿拉莫斯國家實驗室博士後研究員的學者指出：「固體物質中，熱能透過載子移動與晶格原子振動傳遞。我們主要設法抑制晶格振動的熱傳導，因其對能量轉換無貢獻。」

研究團隊將鐵釩鉭鋁合金（Fe₂V_0.95Ta_0.1Al_0.95）粉末與鉍銻合金（Bi_0.9Sb_0.1）粉末混合，經高溫高壓製成緻密材料。由於兩者化學與機械性質差異，鉍銻合金會優先沉積在鐵釩鉭鋁晶體的微米級介面上。

這種特殊結構產生雙重效應：首先，兩材料晶格結構差異使熱振動難以跨介面傳遞，大幅抑制熱傳導；其次，因電子結構相似，載子移動不受阻礙，更沿介面顯著加速——關鍵在於鉍銻合金形成「拓撲絕緣體」相，這類量子材料內部絕緣卻能實現表面近零損耗的電荷傳輸。

透過精準解耦熱與電傳輸路徑，團隊成功將材料效率提升逾100%。Garmroudi強調：「這讓我們離開發出媲美商用碲化鉍的熱電材料更近一步。」1950年代問世的碲化鉍仍是當今熱電材料黃金標準，而新混成材料不僅更穩定，成本也更低。

這項突破性研究源自Garmroudi在日本筑波國家材料科學研究所的成果。他回憶道：「當時成功開發出具有卓越熱電特性的新型混成材料。」如今這項技術為下一代能源轉換裝置開闢全新道路。

[end]