摘要：热电材料越来越多地引起人们的兴趣，它们将废弃的热量转化为电能，逐渐提高大功率微电子设备传热能力的压力，促进了理论和实验中理解热量如何在纳米材料中传递。

 

佐治亚理工学院的助理教授Martin Maldovan握着微型热电装置，当施加电流时，设备的一端变冷。

最近的研究都集中在利用声子波干涉效应来控制材料中的热传输。

(图片来源: 佐治亚理工学院John Toon)

热电材料越来越多地引起人们的兴趣，它们将废弃的热量转化为电能，逐渐提高大功率微电子设备传热能力的压力促进了理论和实验中理解热量如何在纳米材料中传递。

最近的研究都集中在利用声子波的干涉效应来控制材料的热传输。波的干涉已经被用来控制电子、光子和声学设备。如果在热传输领域使用类似的方法，则可促进更高效的热电和纳米电子设备的发展，提高热障涂层和具有超低热导率材料的性能。

一篇创新论文发表在6月23日的《Nature Materials》杂志上，描述了声子波干涉和热能带隙材料的最近进展，并预测了未来在声波干涉领域的创新。

“如果你能让热量表现的像波一样具有干涉效应来控制传输距离，你可以从根本上控制热传输背后的所有特性，”佐治亚理工大学物理学院，化学和生物分子工程学院的助理教授和该文章的作者Martin Maldovan说。“这将是一个全新的方式去理解和操作热量。”

根据经典的定义，热量由材料原子晶格振动构成。材料结构振动越激烈，材料越热。白光实际上由许多不同颜色的光组成，以同样的方式，这些热声子也具有许多不同的频率—每种携带着不同的热量。

最新进展表明，热声子会与其反射波发生干涉。观察表明，声子一定是以波的形式存在，类似于电子、光子或声波。这种干涉现象可能会被用来改变声子的速度和态密度，创建阻止声子波的能带隙。利用与光电材料相似的能带隙是创造大规模设备的关键。

到现在，纳米材料中的热传输已在很大程度上被控制，通过引入原子尺度的杂质、界面、表面和纳米颗粒，可通过散射声子来减少热流。可以应用新的方法来控制波的效应，包括热振动的镜面反射和界面的热振动传输。

“考虑到使用电子、光子和声子波干涉来操作电、光和声波所取得的成功，当然把这些理论扩展到热振动也是很有价值的，从而创建一个全新的方法操纵热流，”Maldovan在文章中写道。

热电材料获得废弃的热量，来源于汽车尾气或工业发电过程中的排放。提高这些材料的性能需要进一步降低热导率，来提高它们的效率。

另一方面，微电子设计师想通过增加热导率，从高功率微型设备转移热量。燃料电池和其他转换设备的设计人员也需要提高对热量的控制。

Maldovan的文章解释关于热传输问题，并吸引其他人进入该领域。最终，研究人员将使用关于热传输的信息来设计更好的材料。

“这些新的波现象可用来创造低热导率材料，”Maldovan说。“我们正试图创造一个热能带隙，但这并不是那么容易做的。”

热声子波材料的搜寻将集中于类似用于微电子的半导体，Maldovan说。不过，尽管微电子中使用的硅具有自然能带，科学家必须在光学和声学材料中创建能带隙，同样也对于热学材料。可能的材料包括硅锗、砷化铝镓和某些超晶格氧化物。

多年来研究人员关注材料中的热量能够传递多远。未来，研究将解决热传输速度和过程中有多少热量转移，Maldovan预测。他把热传输比作一个我们更熟悉的东西—人类的交通工具。

“如果你想转移很多人，你需要一辆能装载很多人的车，”他说。“你也可以需要一辆迅速移动的车，因为如果你移动得更快，你可以在更短的时间内让更多的人移动更远。”

未来几年内，应该会出现热材料中干涉和能带隙作用的重要解释，Maldovan预测。这将继续引领热控制材料领域的发展。

“目前理解热量是一件非常酷的事情，”他说。

资讯来源：以上内容转载自佐治亚理工学院提供的材料。

 

新材料在线编译整理——翻译：Grubby     校正：摩天轮