作者:A. Prokofiev 来源:《自然—材料学》 发布时间:2013-9-24 14:45:09
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新型笼形包合物具有极强热电性能

 

图片来源:TU Vienna

笼形包合物是指拥有很多微小的笼状结构并能将单个原子“关”在其中的晶体,这些原子能够显著改变晶体的材料特性。据物理学家组织网9月22日报道,奥地利维也纳技术大学的科学家通过将铈原子捕获在笼形包合物中,创建出一种具有极强热电性能的新材料,可用于将废热转化为电能。
 
当工业机器在运转过程中变热时,会散失大量热能,造成周围环境温度不必要的上升。而这些浪费掉的热能是可以通过热电材料加以部分利用的:热电材料将热的物体与冷的物体桥接在一起,就能产生电流。维也纳技术大学的研究团队采用了一种复杂的晶体生长方法,借助一个镜子结晶炉,将单个铈原子“关”进了由钡、硅和金制成的“笼子”中,获得了一种新型的笼形包合物。他们发现,被困的铈原子不停地撞击“笼子”,而这似乎赋予了新材料优良的热电性能。
 
该团队利用这种笼形包合物将热的物体与冷的物体相连接,对其热电性能进行了测试。“材料中电子的热运动取决于温度。”维也纳技术大学教授西尔克·布勒-帕邢解释说,“温度高的一侧的热运动比温度低的一侧要多,所以电子会向低温区域扩散,由此在热电材料的两边产生电压。”实验结果表明,铈原子将材料的热电势增加了50%,这意味着可以获得更高的电压。此外,这种笼形包合物的热导率很低,这也是一个很重要的特性,因为一旦温差不存在,电压也就无法保持。
 
布勒-帕邢认为,新材料显示出的良好热电特性似乎与所谓的康多效应(电子被束缚在半导体材料的磁性杂质周围时,被迫改变其自旋的现象)有关,铈原子中电子与晶体中的原子存在量子力学相关性。事实上,康多效应已知产生于接近绝对零度的低温物理学,但令人惊讶的是,在这种新型笼形包合物中,量子力学相关性也发挥了重要作用,而温度甚至高达几百摄氏度。布勒-帕邢说,这是他们观察到的世界上温度最高的康多效应。
 
研究团队目前准备尝试利用不同种类的笼形包合物来达到同样的效果。他们希望用铜等其他金属来取代昂贵的金,以使材料更具商业潜力。而铈也可以用一种由多个稀土类元素构成的更便宜的混合物替代。如此设计的笼形包合物未来有望应用于将工业余热转化为宝贵的电能。(来源:科技日报 陈丹)
 
 
 
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