(图片来源：Randy Montoya)

效率对于热电纳米线的微观世界来说是个大问题。

来自圣地亚国家实验室的研究者，Graham Yelton说道，更好的纳米线材料和制备技术，可以使得汽车生产商从汽车的尾气排放系统中提取热量，或者也可以得到更有效的电脑芯片冷却设备。这些圣地亚国家实验室的研究者们在《MRS Bulletin》上发表了一篇文章，“Using Galvanostatic Electroforming of Bi1-xSbx Nanowires to Control Composition, Crystallinity and Orientation”。

这项工作是科学家们首次尝试通过单一过程来控制晶体取向、晶粒大小和合金的均一性。这三点因素共同作用，使得材料的热电性能变得更好，作为研究者之一的Yelton说到。“这三点一起作用可使材料性能得到很大的提升，但是很难做到，”他说。

更好形态的纳米线可以降低热导率，提升所谓的热电系数，这个系数是衡量材料电学和热导率的一个物理量。如果电导率越高并且热导率越低，该系数会越高，而材料的效率也就越高。然而，此前的热电纳米线的质量已经被证明不足够好。

热电纳米线的应用还处于早期阶段

尽管效率较低，一些热电材料也已经用于实际应用中。Yelton 把他们现阶段的研发进展类比成先前的光伏太阳能电池，说道：每个人都看见这些材料的潜能，但是他们实在效率太低，以至于只有当其他材料都无法使用的时候，这些材料才会被使用。

提升纳米线的效率将会提升热电材料的使用率。这些材料已经在一些传感器中得到应用，汽车制造商希望他们可以从尾气排放系统中提取热量，来为汽车的传感器系统供能，Yelton如是说。降低运行汽车操作系统所需的能量，有助于减小电池和交流发电机的重量，甚至有可能取消一些发电设备，减小汽车的尺寸和重量。

圣地亚研究者们的这篇论文，描述了他们如何制备排列均一成分的热电纳米线，并沿着纳米线的线长伸展方向，以及纳米线的阵列分布，这其中包含有上百万的纳米线。另外，他们制备出的纳米线拥有均一尺寸的晶粒大小，取向和方向。均一的组成可以提升效率，同时，取向很重要，因为携带能量的载体——电子可以流动得更好。

这个科研团队使用的低成本方法叫做室温电铸，这是一个广泛商业化应用的电镀技术。该方法以恒定的速度沉积材料，使得纳米线能够以稳定的速度生长。此方法生产出的纳米线直径为70-75纳米，几微米长。

Yelton使用可控电流的脉冲来沉积热电材料，因此可以控制整个纳米线的组成和排列。“我操作的这项技术中有许多细微差别来控制取向，晶体生长及其组成，确保可以维持在一个很小范围内。”他说道。

可以控制纳米线成型重要要素的技术

这个方法生产出长度大，轻微扭曲的纳米线晶体结构，可说是单晶结构，并且有理想的取向。“没有这些，你无法得到很好的效率。”Yelton说。

材料的化学原理也很重要。对于这个圣地亚团队，锑盐在晶体质量和取向中起重要作用。铋-锑合金在众多室温条件下的应用材料中，有很好的热电性能——它既可以充当导电体，也可作为热的绝缘体。但是已经存在的铋-锑合金材料，在能量持续传递到正在被冷却的设备时，却无法有效固态冷却下来，例如电脑。

该团队希望有一种混合物具有金属一样的行为特性，同时又不导热。将铋与锑混合起来做成合金弥补了这个缺口，Yelton说。用基于碘化锑化学的电铸方法制备出来的铋-锑合金纳米线阵列缺乏所需要的质量，但是对于晶体取向来说，其有最大的热电性能。“这个化学原理使我们从多晶结构到达2-5微米的单晶结构，”可以更好的控制均一性，Yelton说。

下一步：制造一个电接触体

下一步的挑战是制造一个电接触体，并研究其产生的热电行为。“热电材料已经可以用来制造氧化物和金属互化物，但是其接触性很差，或者有很高接触电阻。这将会降低材料开发中可获得的进展。” Yelton说到。尽管他们团队已经可以在材料阵列的底部制造很好的接触，但在顶部制造很好的连接依然很困难。“制造接触并测试阵列的性能不重要，”Yelton说。

他跟同事们一起正在寻求更多的资金，去解决这个接触的问题，然后表征热电材料阵列的性能。“如果这些在实验室获得成功，我们将会寻求一个工业界的合作者来进一步完善这个想法。”他最后说道。

新材料在线编译团队编译整理——翻译：Gary