最近，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的研究員發(fā)現(xiàn)了一種多晶硅納米線，打破了Casimir極限和非晶極限，其熱導(dǎo)率值低于理論的預(yù)測(cè)值，這將對(duì)熱電領(lǐng)域帶來(lái)巨大的變化！

    一種多晶硅納米線的新材料，打破了Casimir極限和非晶極限。Casimir極限理論描述了納米結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)率，該極限值的突破意味著新材料的導(dǎo)熱系數(shù)低于Casimir極限理論的預(yù)測(cè)值。因?yàn)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)對(duì)熱載體具有強(qiáng)烈的散熱能力，所以非晶極限被認(rèn)為是一種材料的最低熱導(dǎo)率。然而，由于其獨(dú)特的納米級(jí)設(shè)計(jì)，多晶硅納米線具有的熱導(dǎo)率卻低于非晶硅材料的三分之一。

    德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的研究員Yanguang Zhou和Ming Hu，把多晶硅納米線的成果發(fā)表在了最近一期的Nano Letters期刊上。

    研究者期望新材料能夠?qū)ｉT(mén)用在熱電領(lǐng)域。通過(guò)把熱能轉(zhuǎn)換成電能，熱電材料開(kāi)辟了一條嶄新的道路，利用汽車(chē)排氣管、電廠和制造設(shè)備釋放的廢熱，將其轉(zhuǎn)化成有用的能源。

    一般情況下，好的熱電材料同時(shí)具有高的電導(dǎo)率和低的熱導(dǎo)率。只有兩者相互結(jié)合，才具有高的綜合熱電轉(zhuǎn)化效率。在最新的研究中，研究者的焦點(diǎn)集中在：如何在維持硅材料高電導(dǎo)率的同時(shí)降低熱導(dǎo)率。

    Zhou告訴Phys.org記者：“在這篇論文中，我們報(bào)道了一種新的結(jié)構(gòu)——多晶納米線，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)釋?dǎo)率減小到現(xiàn)有記錄的最低值，只有其對(duì)應(yīng)非晶物質(zhì)導(dǎo)熱率的三分之一。如果我們通過(guò)摻雜材料，保持材料的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)不變，那么相比于塊體材料，多晶納米線將熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率會(huì)提高277倍。”

    新型硅納米線低熱導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于它的多晶形式，其中包含了在隨機(jī)取向下不同形狀和大小的晶體結(jié)構(gòu)。基于多晶硅納米線的平均晶粒尺寸（~3 nm），Casimir極限預(yù)測(cè)其熱導(dǎo)率不會(huì)低于~3 W/mK。但是，實(shí)驗(yàn)人員的模擬表明，多晶硅納米線的熱導(dǎo)率只有0.7 W/mK，該值比塊體硅低269倍，比純硅納米線低77倍，比非晶硅納米線低3倍。

    研究人員解釋道，多晶結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特征是晶體之間的晶界是不連續(xù)的。因此，晶界會(huì)阻礙并散射熱傳輸聲子，導(dǎo)致聲子不能在材料中長(zhǎng)程移動(dòng)（只有~1 nm）。而在其它硅材料中，晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，聲子的移動(dòng)距離大于1 ?m。

    當(dāng)下的研究結(jié)果會(huì)引起一個(gè)問(wèn)題：對(duì)于任何形式的硅納米線，可能的最低熱導(dǎo)率是多少。一般情況下，有兩種振動(dòng)有助于熱導(dǎo)率：propagon和diffuson。研究者們認(rèn)為通過(guò)將無(wú)序的納米孿晶結(jié)構(gòu)引入到多晶硅納米線中，最大程度上降低它們的運(yùn)輸，應(yīng)該有可能完全消除propagon的貢獻(xiàn)。另一方面，由于材料內(nèi)在結(jié)構(gòu)的紊亂，導(dǎo)致Diffuson不能以這種方式減小。盡管如此，通過(guò)消除propagon的貢獻(xiàn)，研究者認(rèn)為多硅納米線的熱導(dǎo)率可進(jìn)一步減小20%。研究者計(jì)劃在未來(lái)的工作中實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

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