北京
该晶体利用原子级厚度的硒化铁和原子空位来捕获热量，提升热电性能。
东京科学大学的研究人员开发出一种新型热电材料，其表现如同原子级薄膜，却以更实用的固态晶体形式出现。
如果能在实验室外实现规模化，这类材料将可用于设计下一代废热能量回收装置等。
这种特性被称为“热电”，即能够利用材料两侧的温差来产生电力。这一特性使其非常适合应用于工厂废气、汽车发动机、发电厂和熔炉等场景。
要让这类材料真正发挥作用，需要同时满足两项看似矛盾的性质。第一，电荷必须能在材料中轻易移动。第二，材料必须导热性差（是良好的绝热体），以免温差迅速消失。
从热量中获取电能
眼下的难题是，大多数导电材料同时也善于导热。这会使热端和冷端的温度迅速趋于一致，从而明显削弱发电能力。
为解决这一问题，研究团队把目光投向一种由铊、铁和硒组成的混合物，名为 TlFe₁.₆Se₂。这种材料的内部结构犹如分层的三明治。
它由极其薄的硒化铁（FeSe）层构成，这些薄层重复嵌入在一个大得多的三维晶体之中。
这之所以重要，是因为原子级厚度的 FeSe 薄膜在热电发电方面具有异常优异的电学性能。然而，仅有几个原子厚的薄膜很难制造、操作和集成到真实的设备中。
通过这种方式，研究人员有效地在一整块固体材料中复现了部分超薄膜的行为。尤为关键的是，这些新晶体在设计上刻意让一些铁原子缺失，这一特征被称为铁空位。
研究人员解释说，这会限制热量通过原子振动（即声子）在晶体中的传播。作为对比，如果晶体结构完美规则，这些振动就可以轻易传播。
仍需更多工作
但由于这些空位的存在，声子会被散射，原子键发生扭曲，整个晶格随之改变，热量便难以传导。
结果就是，在约 356°F（180°C）的温度下，该材料的热导率极低，约为 0.2 瓦每米·开尔文。从实际效果来看，这种材料几乎相当于一个绝热体，同时仍能产生电响应，这确实是一项了不起的成就。
就实际应用而言，这项研究目前仅在实验室内验证了技术可行性。若要将其用于真正的发电，研究人员还需克服整体转换效率等障碍。
长期稳定性、成本与可扩展性、强度，以及在工业环境等真实场景中的表现，也有待解决。此外，铊的存在还带来了安全和封装问题，因为铊具有剧毒。
“这项工作展示了一种新设计概念的有效性，即将低维材料的功能嵌入到块状晶体之中，”研究负责人、东京科学大学（Science Tokyo）材料与结构实验室的 Takayoshi Katase 教授表示。
“这一成果为开发下一代热电材料提供了一条有前景的途径，有望突破传统上电学与热学输运特性之间的权衡。”他补充道。
该研究已发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。
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