熱電材料自制“土”儀器，未來發(fā)展不可限量

熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，1823年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)和1834年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。用掌心的溫?zé)?，就能讓一個(gè)小小電扇轉(zhuǎn)起來，這就是熱電材料的神奇之處。這種能源材料，在太空、環(huán)保領(lǐng)域有著的用途。二十多年前，中國(guó)在這一領(lǐng)域完全不被重視，如今中國(guó)研制的熱電材料、熱電器件的性能已領(lǐng)跑世界。帶動(dòng)國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域發(fā)展的“排頭兵”中有一位從日本留學(xué)歸來的研究者———中科院上海硅酸鹽研究所研究員陳立東。

在納米和原子尺度尋找熱電器件

利用熱能發(fā)電的傳統(tǒng)方法，就是將水加熱變成蒸汽，再用蒸汽推動(dòng)渦輪來發(fā)電。可有些材料卻可以直接用熱能激發(fā)電子，形成電流。早在1821年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了這種奇特的“熱電效應(yīng)”———如果人類可以利用這種方式發(fā)電，那么很多現(xiàn)在廢棄的熱能，都能充分利用起來。比如，工廠里現(xiàn)在很難回收利用的200℃至400℃的余熱，乃至汽車尾氣、垃圾焚燒等余熱也都能“變廢為寶”。

“早在本世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)就成立了研究小組，專門從事空間應(yīng)用熱電技術(shù)的研發(fā)?！标惲|2001年剛被中科院以“百人計(jì)劃”從日本引進(jìn)回國(guó)時(shí)，中國(guó)在這一領(lǐng)域接近空白?！爱?dāng)時(shí)，老院士嚴(yán)東生先生熱切地支持我回國(guó)，新能源材料領(lǐng)域中國(guó)是短板，他說未來這會(huì)非常重要，我們應(yīng)該在中國(guó)發(fā)展這一領(lǐng)域?！?/p>

要做出轉(zhuǎn)化效率高、性能穩(wěn)定的熱電器件非常困難。首先，要尋找一種高性能熱電材料———它必須同時(shí)是熱的絕緣體和電的良導(dǎo)體。科學(xué)家需要在納米和原子尺度，尋找可將熱導(dǎo)率降低到極限，同時(shí)又能保持良好的電導(dǎo)率和熱電勢(shì)(由溫差產(chǎn)生的電壓)的晶體材料。而在制備熱電器件時(shí)，要綜合考慮熱電材料、導(dǎo)電電極、焊接材料等多種材料的熱膨脹、電阻、熱阻等各種參數(shù)，器件制造過程中任何一點(diǎn)小的瑕疵就可能扼殺熱電材料的功能。

“這些‘婆婆媽媽’的小細(xì)節(jié)，每一個(gè)都影響著熱電器件最后的性能?！标惲|說，很多看起來高大上的創(chuàng)新，實(shí)際上是探索過程中的“摸爬滾打”，看起來真有點(diǎn)“土”。

自制儀器讓學(xué)生們深入了解測(cè)量原理

陳立東的實(shí)驗(yàn)室看起來有點(diǎn)“土”，里面有不少他帶著學(xué)生自制的設(shè)備。

其中一間實(shí)驗(yàn)室里，一臺(tái)紅外測(cè)溫設(shè)備搭建了一半———這是準(zhǔn)備用來探測(cè)微小電流下產(chǎn)生的微小溫差的?！澳壳?，熱電器件的性能上還沒有標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法。”陳立東說。

陳立東回國(guó)時(shí)，中科院為他配備了200萬(wàn)元人民幣啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，并招好了研究生，這使他的研究工作得到無(wú)縫銜接?？墒?，新型熱電材料的許多性能，沒有現(xiàn)成的商業(yè)儀器可以測(cè)試。他只能帶學(xué)生自己設(shè)計(jì)并搭建設(shè)備，直到現(xiàn)在還是如此。

這些自制的儀器即使不再使用，也將繼續(xù)留在實(shí)驗(yàn)室，讓新入學(xué)的研究生用來了解測(cè)量原理和測(cè)量方法。陳立東說，新的測(cè)量設(shè)備自動(dòng)化程度很高，用起來的確方便，可自制儀器卻能讓學(xué)生們深入了解其中的原理。

這十幾年間，陳立東課題組將熱電器件的轉(zhuǎn)換效率從不到6%，提升到了12%，這是目前世界熱電器件轉(zhuǎn)化效率的最高值。同時(shí)，他還在基礎(chǔ)理論上獲得了突破———發(fā)現(xiàn)新型高性能熱電材料，曾獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

如今，國(guó)內(nèi)整個(gè)熱電領(lǐng)域的研究人員較十幾年前已經(jīng)增長(zhǎng)了幾十倍，中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的影響力正在不斷增大，陳立東也先后當(dāng)選熱電學(xué)會(huì)理事和亞洲熱電聯(lián)盟主席。

前來尋求產(chǎn)業(yè)化合作的美國(guó)、日本企業(yè)已有不少，國(guó)內(nèi)企業(yè)也漸漸出現(xiàn)?！艾F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的工業(yè)基礎(chǔ)與二十年前相比已經(jīng)大幅提升，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)新技術(shù)敏感性也日益增進(jìn)?！彼f，目前熱電材料的民用化產(chǎn)品在也剛起步不久，他希望中國(guó)企業(yè)可以接上這一棒，把科研的優(yōu)勢(shì)延續(xù)到產(chǎn)業(yè)界。

編輯點(diǎn)評(píng)

隨著空間探索興趣的增加、醫(yī)用物理學(xué)的進(jìn)展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動(dòng)，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無(wú)需照看的電源系統(tǒng)，熱電發(fā)電對(duì)這些應(yīng)用尤其合適。熱電材料制備的微型元件用于制備微型電源、微區(qū)冷卻、光通信激光二極管和紅外線傳感器的調(diào)溫系統(tǒng)，大大拓展了熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，熱電材料是一種有著廣泛應(yīng)用前景的材料，在環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，進(jìn)行新型熱電材料的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。