维也纳工业大学的一个研究团队成功改良了已知材料，让它们拥有了新的有用特性。这些材料将来有望用在热电领域。
我们这个时代的许多重大创新，从高性能电机、耐用材料再到量子计算机，都离不开具有特定性能的材料。这类材料可以通过掺杂或合金化等方法制得，也就是用其他原子替换掉晶格中的原子。维也纳工业大学的Andrej Pustogow和Ernst Bauer带领的团队，专门研究了如何通过定点替代来提高材料的热电性能。他们不久前在《自然·通讯》上发表了这项研究成果。
赫斯勒化合物：性能“按需”可得
这项研究关注的是被称为“赫斯勒”化合物的一类材料。这类材料最大的特点是结构变化多端：很多不同的元素都能掺进它的晶格里，这样就能在很大范围内调整性质。鲍尔解释说：“正是这种百搭的特性，让赫斯勒化合物成了新功能材料的理想‘积木’。”
普斯托戈夫说：“你可以把这些改动想象成换衣服。里面的人始终没变，变的只是衣服，根据场合或功能换不同的衣服。”放到材料研究上，就是说这些材料的晶体结构都一样，但原子可以随便换，想要什么功能就能“按需”得到。
热电新材料
赫斯勒化合物一个特别有前景的应用领域是热电转换。热电过程就是直接把热能变成电能。比如，这种材料能利用工厂或汽车产生的废热，从而有助于提高能源效率。反过来，热电材料也能用电来制冷，比如说用在小冰箱或者需要快速变温的PCR设备里。
“不管哪种应用，想热电效率高，材料就得既导电好，又导热差。在我们现在的研究里，我们找到一种方法，能做出挡住热流的屏障，但电荷载流子能正常通过，不受影响，”这项研究的两位第一作者之一法比安·加姆鲁迪解释说。另一位共同第一作者伊利亚·谢尔希延科补充说：“我们创下了赫斯勒材料热电性能的有史最高纪录——而且离极限还远着呢。”
把每块石头都翻了个遍
这种原子级的变化，是团队通过掺杂或合金化来完成的，效果可能非常惊人，在我们日常生活的很多地方都能看到。“我们真的把每一个（基本构造）单元都挪了位置。先拿研究很多的Fe2VAl开刀，把铁原子换成钌，钒换成钛，铝换成硅，”普斯托戈夫说。
结果就是Ru2TiSi，这种材料的热电性能大大提升。相反，如果在Fe2VAl中把所有铁原子都换成钒，得到的V3Al电阻比总被提到的康铜还要恒定。关键突破不只是性能变好了，更在于弄清了背后的物理机制，而且这些机制还能用到其他材料上。
新材料类别正在接管“衣橱”
普斯托戈夫的团队也在探索超越半导体霍伊斯勒化合物的新方法，以改善材料的热电性能。随着一类新材料——金属热电材料的引入，该团队在衣橱比喻的语境下，不仅为研究领域增添了一个新壁橱，而是增添了一整条商业街。
本文由维也纳理工大学提供
本文最初发表于 Phys.org。
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