微电子与新能源领域一直有一条“鱼与熊掌不可兼得”的铁律。如果想要一种材料导电快、发电多,它的导热往往也很快,导致保温难。这种热学与电学的深度“捆绑”,导致全球超过60%的低品位废热,如汽车排气管的滚烫、工厂冷却塔的蒸汽、电脑芯片的温热,只能白白耗散。如何让热量走得慢的同时,电流跑得快?
近日,上海交通大学胡志宇教授团队联合清华大学、香港城市大学等研究机构,在国际学术期刊《科学进展》上发表颠覆性研究成果。他们创新设计出“梯度界面尺寸分布”,打破了传统微纳材料的结构对称性,让热量和电子“各走其道”,创下了超低导热率与超高发电功率的全新行业纪录。
传统的热电材料主要依靠声子传热、电子导电。为了阻挡热量流失,科学家通常采用规则、重复的“超晶格”层状结构来反弹声子。但规则的结构就像排列整齐的栅栏,能挡住特定波长的声子,却也严重拦截了电子,导致导电性能大幅下滑。
研究团队另辟蹊径,提出了“统计界面工程”的新范式:在经典热电材料碲化铋和贵金属铂交替堆叠的纳米薄膜中,设计出5、10、15纳米厚度不均匀的梯度层状结构。
这种不对称设计使得不同波长的声子进入厚度不一的纳米迷宫后,引发安德森局域化效应,热量被死死锁在本地无法传递;而电子波长极短,纳米级的不均匀不仅没有阻碍它,还在界面处形成了特殊的二维聚集通道,使其能轻松穿透,在纵向获得了极高的迁移率。
最终,材料的横向导热率直接骤降至 0.22 W/(m·K),比纯碲化铋薄膜降低约87%,几乎达到了同类材料的极限物理低值;材料的室温热电优值(ZT值)则推高至1.51,面内功率因子高达176.2 μW/(cm·K²),位居已知同类薄膜前列。
此次发表的成果不仅是一项实验室的理论突破,研究团队还在论文中展示了其全链条的器件应用潜力:基于该技术制备的柔性薄膜器件,在经历1000次弯曲后性能几乎零衰减。把它贴戴在手腕上时,仅靠人体体温与空气的微小温差,就能产生稳定的电压。未来的智能手环、智能皮肤或植入式医疗器械无需再定期充电。
同时,在垂直固态器件中,仅60度的温差下,该器件的体积发电功率密度可媲美内燃机。在通电状态下,更能展现出强劲的固态制冷能力,为下一代高性能计算机芯片、光电探测器的精准“定点降温”提供了无噪音解决方案。
胡志宇表示:“‘统计界面工程’是一种极具普适性的新思路,相当于从‘设计一种材料’变为‘设计材料之间的关系’。想要改变材料的命运,有时候不需要更换成分,改变界面的‘秩序与分布’就能创造魔法。”