北京
該晶體利用原子級厚度的硒化鐵和原子空位來捕獲熱量，提升熱電性能。
東京科學大學的研究人員開發出一種新型熱電材料，其表現如同原子級薄膜，卻以更實用的固態晶體形式出現。
如果能在實驗室外實現規模化，這類材料將可用于設計下一代廢熱能量回收裝置等。
這種特性被稱為“熱電”，即能夠利用材料兩側的溫差來產生電力。這一特性使其非常適合應用于工廠廢氣、汽車發動機、發電廠和熔爐等場景。
要讓這類材料真正發揮作用，需要同時滿足兩項看似矛盾的性質。第一，電荷必須能在材料中輕易移動。第二，材料必須導熱性差（是良好的絕熱體），以免溫差迅速消失。
從熱量中獲取電能
眼下的難題是，大多數導電材料同時也善于導熱。這會使熱端和冷端的溫度迅速趨于一致，從而明顯削弱發電能力。
為解決這一問題，研究團隊把目光投向一種由鉈、鐵和硒組成的混合物，名為 TlFe?.?Se?。這種材料的內部結構猶如分層的三明治。
它由極其薄的硒化鐵（FeSe）層構成，這些薄層重復嵌入在一個大得多的三維晶體之中。
這之所以重要，是因為原子級厚度的 FeSe 薄膜在熱電發電方面具有異常優異的電學性能。然而，僅有幾個原子厚的薄膜很難制造、操作和集成到真實的設備中。
通過這種方式，研究人員有效地在一整塊固體材料中復現了部分超薄膜的行為。尤為關鍵的是，這些新晶體在設計上刻意讓一些鐵原子缺失，這一特征被稱為鐵空位。
研究人員解釋說，這會限制熱量通過原子振動（即聲子）在晶體中的傳播。作為對比，如果晶體結構完美規則，這些振動就可以輕易傳播。
仍需更多工作
但由于這些空位的存在，聲子會被散射，原子鍵發生扭曲，整個晶格隨之改變，熱量便難以傳導。
結果就是，在約 356°F（180°C）的溫度下，該材料的熱導率極低，約為 0.2 瓦每米·開爾文。從實際效果來看，這種材料幾乎相當于一個絕熱體，同時仍能產生電響應，這確實是一項了不起的成就。
就實際應用而言，這項研究目前僅在實驗室內驗證了技術可行性。若要將其用于真正的發電，研究人員還需克服整體轉換效率等障礙。
長期穩定性、成本與可擴展性、強度，以及在工業環境等真實場景中的表現，也有待解決。此外，鉈的存在還帶來了安全和封裝問題，因為鉈具有劇毒。
“這項工作展示了一種新設計概念的有效性，即將低維材料的功能嵌入到塊狀晶體之中，”研究負責人、東京科學大學（Science Tokyo）材料與結構實驗室的 Takayoshi Katase 教授表示。
“這一成果為開發下一代熱電材料提供了一條有前景的途徑，有望突破傳統上電學與熱學輸運特性之間的權衡。”他補充道。
該研究已發表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
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