镍-铁坡莫合金与硅组合 科学家开发高效热电设备

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利用称为“Rashba 自旋塞贝克效应(Rashba spin-Seebeck effect)”的现象,加州大学河滨分校机械工程学家开发出能够将低温废热转化为电能的商业设备,应用机会比如:电脑芯片、汽车发动机、太阳能电池等,此外,也能使用同技术生产相对经济的热电制冷机。

市场上应用的热电发电机已算可靠,比如提供无人太空船所需电力的放射性同位素热电机、用来回收汽车无用废热能的汽车热电机等,但使用上仍受限于材料成本及复杂性。

现在加州大学河滨分校机械工程学助理教授 Sandeep Kumar 领导的团队,利用镍-铁坡莫合金(nickel-iron Permalloy)与硅的组合开发出热电设备,可带来更好的热电能量转换率,使各种商业应用成为可能,比如:将设备集成至电脑芯片,把热能转为电源;汽车发动机的热可成为汽车电子设备与冷却系统的电力来源;光伏太阳能电池最头痛的难题——无法吸收的热能也能转换成电,提高整体转换效率。

坡莫合金也称透磁合金,由约 80% 镍和 20% 铁构成,贝尔电话实验室物理学家古斯塔夫·埃尔门于 1914 年发明。坡莫合金具有非常高的导磁率,使其可作为电气电子设备中的磁芯材料,也可当作阻挡磁场的磁屏蔽。

研究人员在实验中创造了超薄镍铁坡莫合金双层夹层与 P 型硅,坡莫合金层厚度约 25 纳米,硅层厚度分别为100 纳米、25 纳米、5 纳米(作为比较,头发厚度约 200 微米= 200,000 纳米),接着将热能加到金属层,基于一种称为自旋塞贝克效应的物理现象,热能够在硅层中产生电压,团队并于 5 纳米厚的硅层中测得最大电压。

Sandeep Kumar 表示,这种设备就算在温度梯度小的情况下也能发电,比如电脑芯片通常加热到 60℃ 左右,周围温度可能是 25℃,此时热电设备就能利用温度差将原本浪费的热能转换成电;汽车发动机温度梯度更大,当周围环境 25℃ 时,发动机温度可能高达 100℃,此时设备转换的电甚至可支撑冷却系统。

团队接下来将探索在自旋热电设备中有效、大量且价格低廉的材料。(来源:科技新报)

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