（在高效率硒化锡中，电子云的重新分布造成晶格不稳定和热流冻结。该晶格采用一种化学键被拉伸成手风琴结构的扭曲形态，由于热量传播被阻断而产生出色的热电性。图片来源: Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy）

发动机，笔记本电脑和发电厂产生废热。热电材料，其可以转换温度梯度为电能，反之亦然，可以恢复一些热量并提高能源利用效率。一支在能源部橡树岭国家实验室的科学家团队，探索了世界上最好的热电材料的基本物理 - 硒化锡 - 利用中子散射和计算机模拟。他们对这种材料的原子动力学起源的新认识，发表在《Nature Physics》杂志上，其可能帮助研究能源的可持续发展，帮助高效转化热能转化为电能的材料设计。

“我们在这个重要的新热电材料上进行首次全面的原子振动测试，”在橡树岭国家实验室的材料科学和技术部的资深作者Olivier Delaire说。“我们发现其具有非常低的导热性，这导致了其高效率。”事实证明，这个不寻常的原子振动有助于防止“热的泄漏” ，使电能转化最大化。

能源部的科学办公室，为推进材料的能源技术，赞助了这项由麻省理工学院为首的能源前沿研究中心领导的研究。研究人员使用美国能源部科学办公室位于橡树岭国家实验室-散裂中子源、高通量同位素反应堆和橡树岭领导计算设施的三个设施。

通过塞贝克效应，热电装置在 保持温差时产生电压和电流。或者，当外部电源供电时，设备可以主动地泵送热量用于制冷应用。

为了保持一个可用的温度梯度，热电材料需要是电的良导体，但是热的不良导体。2014年西北大学的研究人员发现，便宜的硒化锡，可能是世界上最高效的热电材料。

橡树岭国家实验室的研究人员发现，支撑热流原子振动 – 被称为声子- 并试图了解其起源，从电子结构和化学方面。

“我们发现，这个特殊的声子模式是不稳定的，即“冻结住””Delaire说。“如果你使材料冷静下来，它从不混乱到混乱，当你将其加热，那么混乱会消失，这是在这个特殊的声子模式冻结背后的原子机制。”

这个团队获得的知识可以帮助努力控制在广泛的能源相关技术中的热传导，包括热障涂层、核燃料和高功率电子器件。

硒化锡高效率的关键，是通过探索晶格的原子动力学来揭示的。在调和系统中，原子振动的波可以自由传播。许多波，携带大量的热量，可以通过材料传导，而不彼此感应。在非调谐系统中，与此相反，原子振动波感觉彼此的粘性摩擦。这种摩擦产生一种搪塑，来防止热传播，很像在汽车减震器中的振动阻尼器。硒化锡在所测试的温度下呈强非调谐：声子波被强阻尼和热被良好控制，所以温度梯度可以保留。

共同第一作者Jiawang Hong，一起与Delaire工作的博士后，他在OLCF在一台Cray XC30超级计算机上使用Eos进行量子动力学模拟。声子分散体的模拟，当插入由团队开发的软件，显示出与由共同第一作者Chen Li（Delaire团队的一个博士后）在SNS和HFIR得到的中子散射测试相一致。论文的其他作者是橡树岭国家实验室材料科学与技术部的Andrew May和Dipanshu Bansal，和橡树岭国家实验室量子凝聚态分部的Songxue Chi, Tao Hong 和 Georg Ehlers。

通过模拟我们展示了结合不稳定下存在的非谐性根源，“Delaire说，在相变温度810开尔文（约540摄氏度或1000华氏度）以下，电子轨道自发重组和晶格呈手风琴结构。声子感觉这种不稳定性，其发生阻尼振荡 - 使硒化锡成为杰出的热电材料。

对于巩固有用属性基本原理的大量理解，可以使“设计的材料”成为可能。“在所有每年进入美国经济的能源中，60％是以废热的形式失去的，”Delaire说。“如果你能重新获取，即使一小部分，你就可以有很大的影响。”

提高能源的可持续性

热电材料可以支持可持续能源。麻省理工学院领导的EFRC，与橡树岭和布鲁克海文国家实验室、波士顿大学、休斯顿大学一起，已经证明热电材料可以放置在太阳能电池板中，其中温差能便宜地发电。

光伏板可以是昂贵的，并且许多都需要产生大量有用电能。“随着热电材料，一旦有温差，你只需要相对少量的材料就可以产生电力，”Delaire说。“在热电装置中，能量转换确实是一个直接的联系，因为这种材料完成所有的工作。没有可移动的部件。它由温度梯度来产生电压。因此，了解和优化材料是关键。”

为了进行广泛的应用，热电材料还需要达到更高的效率，但是最近的发现如了解硒化锡的动力学已经朝着这个方向取得了很大的进步。他们已经取得巨大的成功，包括由美国宇航局和美国能源部开发的非常持久的太空电池。

“这项技术是非常可靠的，”Delaire说。“这就是为什么美国宇航局的旅行者号探测器在发射30年后，热电材料仍在为其供能。”

新材料在线编译整理——翻译：Gary       校正：摩天轮