想象如下情景：你不依靠传统的电力运行空调，而是依靠温暖的夏日里太阳的热量运转空调。随着热电技术的进步，这种可持续的解决方案可能有一天会成为现实。

热电器件由能够将温度差转化为电力的材料制成，而不需要任何移动部件 – 这一性质使得热电体成为潜在的具有吸引力的电源。这种现象是可逆的：如果给热电器件通电，就会产生温差。现今，热电器件被用于相对较低功率的应用，例如沿着输油管线为小型传感器供电，在空间探测器上作为备用电池，以及用于冷却微型流体。

但是科学家们希望能够设计出更强大的热电设备来收集热量，这些热量是工业生产过程和内燃机的副产品，并且把那些浪费的热量转化为电力。然而，热电器件的效率或者它们能够产生的能量的量目前是有限的。

现在，麻省理工学院的研究人员们已经发现了一种使用具有独特电子属性的“拓扑”材料将效率提高三倍的方法。尽管以往的工作已经表明拓扑材料可以用作有效的热电系统，但是对于这种拓扑材料中的电子将如何响应于温度差而流动以产生热电效应，几乎没有研究。

拓扑材料是理想的热电材料

麻省理工学院的研究人员们正在寻找将热量转化为电能的方法，在某些拓扑材料中找到了或许可行的可能性（Image：Christine Daniloff / MIT）图片来源: Christine Daniloff / M麻省理工学院

本周发表在“Proceedings of the National Academy of Sciences”上发表的一篇论文（“Electron mean-free-path filtering in Dirac material for improved thermoelectric performance”）中，麻省理工学院的研究人员门确定了与现有设备相比，某些潜在的特性使得某些拓扑材料成为具有更高效率的热电材料。

麻省理工学院机械工程系博士后Te-Huan Liu说：“我们发现，我们可以推动这种纳米结构材料的界限，使拓扑材料成为一种良好的热电材料，比传统的半导体（例如，硅）更好。“最终，这可能是一种清洁能源的转换方式，而这能帮助我们利用发热物体来发电，这将减少我们释放的二氧化碳。”

一个 “自由路径”测量方法

当热电材料中存在温度梯度时 - 例如，一端被加热，而另一端被冷却时，该材料中的电子开始从热的一端流到冷的一端，产生电流。温差越大，产生的载流子就越多，产生的功率越大。可以产生的能量多少取决于给定材料中电子的特定传输特性。

科学家们已经观察到，一些拓扑结构材料可以通过纳米结构制成高效率的热电器件，科学家们用这种技术通过在纳米尺度上对其特征进行图案化来合成材料。科学家们认为拓扑材料的热电优势来源于其纳米结构的低的导热系数。但是，效率的提高如何与材料固有的拓扑性质联系在一起尚不清楚。

为了回答这个问题，Liu和他的同事们研究了碲化锡的热电性能，这是一种被认为是一种很好的热电材料的拓扑结构材料。碲化锡中的电子也显示出模拟一类被称为狄拉克（Dirac）材料的拓扑材料的独特性质。

该团队旨在通过模拟电子穿过材料的方式来了解纳米结构对碲化锡热电性能的影响。为了表征电子传输，科学家经常使用一种称为“平均自由路径”的测量方法，或者一个平均距离，所述平均距离为一个具有给定能量的电子在一个材料中被多种目标物或缺陷散射前自由传播的平均距离。

纳米结构的材料类似于微小的晶体拼凑而成，每个都有边界，称为晶界，晶界将一个晶体与另一个晶体分开。当电子遇到这些边界时，它们倾向于以各种方式散射。具有长的平均自由程的电子将强烈地散射，就像弹出墙壁的子弹一样，而具有较短平均自由程的电子则受到的影响要小得多。

在他们的模拟中，研究人员们发现碲化锡的电子特性对其平均自由程有显著的影响。他们绘制了碲化锡的电子能量范围与相关平均自由程的关系曲线，并发现得到的图形与大多数常规半导体的曲线非常不同。具体而言，对于碲化锡和其他拓扑材料，结果表明，具有较高能量的电子具有较短的平均自由程，而较低能量的电子通常具有较长的平均自由程。

研究小组通过本质上归纳总结具有不同能量和平均自由程的电子的热电贡献，研究了这些电子性质如何影响碲化锡的热电性能。事实证明，材料在温度梯度下导电或产生电子流动的能力在很大程度上取决于电子能量。

具体而言，他们发现较低能量的电子倾向于对电压差的产生以及进一步电流的产生负面影响。这些低能量的电子同时也具有较长的平均自由程，意味着它们可以比高能电子更密集地被晶界分散。

缩小尺寸

在他们更进一步的模拟中，该团队使用了碲化锡单个晶粒的尺寸，看它是否对温度梯度下的电子流动有任何影响。他们发现，当他们将平均粒径缩小到10纳米左右时，它们的边界更接近，他们观察到高能电子的贡献增加。

也就是说，随着晶粒尺寸的减小，高能电子比低能电子对材料的导电贡献更大，因为它们具有较短的平均自由程，并且不太可能散射到晶界。这导致可能产生较大的电压差。

另外，研究人员们发现，将碲化锡的平均晶粒尺寸减小到10纳米左右，产生的电量是采用大晶粒产生的电量的三倍。

Liu说，虽然结果是基于模拟的，但是研究人员们可以通过一些方法来实现类似的性能。所述方法可以是合成碲化锡和其他拓扑材料，以及使用纳米构造技术来调整它们的晶粒尺寸。其他研究人员认为，缩小材料的晶粒尺寸可能会增加其热电性能，但Liu说，他们主要假设理想的尺寸远远大于10纳米。

“在我们的模拟中，我们发现我们可以缩小拓扑材料的晶粒尺寸，而且基于这个概念，我们可以提高效率。

碲化锡仅仅是许多尚未探索的拓扑材料的一个例子。如果研究人员们能够确定这些材料的理想晶粒尺寸，Liu说，拓扑材料可能很快成为生产清洁能源的可行的，更有效的替代方案。

“我认为拓扑结构材料对于热电材料非常有用，而且我们的结果表明这对于未来的应用来说是非常有前途的材料”，Liu说。