熱電材料可以將熱量直接轉化為電能，反之亦然，其技術潛力正備受關注。維也納工業大學的研究人員探索了不同的金屬合金，以找到最高效的熱電材料。事實證明，鎳和金的混合物特別有前途。研究人員最近在著名期刊《科學進展》（Science Advances）上發表了他們的研究成果。

維也納工業大學的研究人員發現，鎳金合金是一種出色的熱電材料，在將熱量轉化為電能方面具有無與倫比的效率。這項發現挑戰了人們對熱電金屬的傳統看法，為其在各種技術中的應用開啟了新的可能性。鎳金合金熱電效應示意圖。資料來源：Fabian Garmroudi

利用熱電發電並不是什麼新鮮事。自20 世紀中葉以來，它們一直被用於太空探索中產生電能，但熱電也被用於日常應用，例如便攜式冰箱。此外，它們還可用於工業環境，將廢熱轉化為綠色電力，這只是其中一種潛在的應用。

熱電效應是基於帶電粒子的運動，這些粒子從材料較熱的一面遷移到較冷的一面。這就產生了一個電壓，即所謂的熱電電壓，它抵消了電荷載子的熱激發運動。

塞貝克係數以德國物理學家托馬斯-約翰-塞貝克（Thomas Johann Seebeck）的名字命名，是衡量材料熱電性能的重要參數。這裡的重要條件是正負電荷之間不平衡，因為它們會互相補償。

Michael Parzer、Fabian Garmroudi 和Andrej Pustogow（左起），背景是顯示所有固體元素電子結構的週期表。圖片來源：維也納工業大學

研究的第一作者Fabian Garmroudi 解釋說：「雖然塞貝克早在200 多年前就發現了普通金屬的熱電效應，但如今金屬幾乎不被視為熱電材料，因為它們的塞貝克係數通常很低。一方面，銅、銀或金等金屬具有極高的導電性；另一方面，在大多數情況下，它們的塞貝克係數非常小。”

性能卓越的鎳金合金

現在，維也納工業大學固體物理研究所的物理學家成功地找到了具有高導電性和超大塞貝克係數的金屬合金。磁性金屬鎳與貴金屬金混合後，其電子特性發生了根本變化。

當加入約10% 的鎳後，金的淡黃色立即消失，熱電性能迅速提高。塞貝克效應增強的物理根源在於電子隨能量變化的散射行為，這種效應與半導體熱電效應有本質差異。

描述所有固體元素電子結構的元素週期表。來源：Fabian Garmroudi、Michael Parzer、Andrej Pustogow

由於鎳原子的特殊電子特性，正電荷的散射比負電荷更強，從而產生了所需的不平衡，並因此產生了很高的熱電電壓。

“想像一下兩位選手之間的賽跑，其中一人在自由跑道上奔跑，而另一人則必須通過重重障礙。當然，在自由跑道上的那個人比對手跑得更快，而對手則不得不放慢速度，更頻繁地改變方向。”該研究的資深作者安德烈-普斯托戈夫（Andrej Pustogow）這樣比較金屬熱電中的電子流。在本文研究的合金中，正電荷被鎳電子強烈分散，而負電荷幾乎不受干擾地移動。

鎳金合金具有極高的導電性，同時又具有很高的塞貝克係數，因此其熱電功率因數值創下了歷史新高，遠遠超過了傳統半導體的熱電功率因數值。

Fabian Garmroudi 解釋說：”在相同的幾何形狀和固定的溫度梯度下，產生的電能比任何其他已知材料都要高出許多倍。此外，高功率密度可能會在未來大規模應用於日常領域。以目前的性能為例，智慧手錶已經可以利用佩戴者的體溫自動充電。”

鎳金合金僅僅是個開始

“儘管黃金是一種昂貴的元素，但我們的工作代表了一種概念驗證。我們能夠證明，不僅半導體，金屬也能表現出良好的熱電特性，從而使其適用於各種應用。”該研究的主要作者之一Michael Parzer 解釋說：”與半導體相比，金屬合金具有各種優勢，尤其是在熱電發電機的製造過程中。”

研究人員能夠透過實驗證明鎳金合金是非常好的熱電材料並非偶然。Michael Parzer 說：”甚至在開始實驗工作之前，我們就通過理論模型計算出了哪種合金最合適。目前，該研究小組還在研究不需要昂貴的金元素的其他有前途的候選材料。”