一种评估热电材料的新方法

克莱姆森物理与天文学系和克莱姆森纳米材料研究所 (CNI) 的一组研究人员与世界上最杰出的热电材料研究人员合作，开发了一种新的、万无一失的方法来评估热电材料。

物理与天文学系研究助理教授 Sriparna Bhattacharya、工程师 Herbert Behlow 和 CNI 创始主任 Apparao Rao 与世界著名研究员、澳大利亚悉尼新南威尔士大学 (UNSW) 名誉教授 HJ Goldsmid 合作，创建了一个一站式评估热电材料效率的方法。

Goldsmid 因其在热电材料方面的开创性工作而被许多人认为是“热电学之父”。Bhattacharya 首先在 LinkedIn 上与 Goldsmid 联系，告诉他她在克莱姆森大学攻读研究生期间证实了他的一个理论预测。

后来，Bhattacharya 分享了她在加入 Rao 的研究小组后与 Rao 一起写的一篇论文。Goldsmid 向她提到，他想到了一种研究热电学的新方法，并与她分享了他的一页纸理论。当时他 89 岁高龄，并热情地开始与 CNI 研究人员合作，因为他认为 Bhattacharya 是他自己研究“家庭”的一部分。

热电材料使用温度梯度(DT) 来发电。它们可用于通过将热能转化为电能(塞贝克法)来发电，或通过将电能转化为冷却(珀耳帖法)来制冷。热电材料的应用范围从 NASA 太空任务到车辆座椅加热器和冷却器。

热电材料的效率通过品质因数或 zT 来衡量，它考虑了材料的温度、电导率和热导率。确定 zT 的传统方法需要使用不同的设备进行两次测量，这有时会导致研究人员报告不正确的结果。

换句话说，当从一台仪器切换到另一台时，研究人员有时会错误地测量样品中沿不同方向的电导率(电荷流)和热导率(热流)。

由于高 DT 或冷端与环境之间可实现的最大温差，之前并未使用珀耳帖冷却来评估 zT。“我们使用包含金属和半导体结的热电偶将 DT 降低到更窄的范围，以便可以用更高分辨率确定与温度相关的 zT，”Behlow 说。

“在 Goldsmid 教授认识到这种情况并提出这种测量zT的新方法之前，使用金属和半导体来降低 DT 的想法一直隐藏在众目睽睽之下，”Behlow 补充道。

“我们在 CNI 开发的实验装置(在物理和天文学仪器车间的帮助下)测试了 Goldsmid 教授的理论，确保电荷流和热流在样品中的相同方向上被测量，”Rao 说。“因此，根据设计，我们的方法提供了准确的 zT。”

南卡罗来纳州州长科学与数学学院的高中生伊莎贝尔·兰库 (Isabel Rancu) 也为这项研究做出了贡献。Rancu 通过克莱姆森研究实习生暑期项目与团队合作，独立验证了 Behlow 报告的模型计算。

研究中使用的碲化铋样品由物理和天文学系高级讲师 Pooja Puneet 合成，作为她博士研究的一部分。

UNSW-Clemson 的研究题为“Peltier 冷却的热电品质因数”，于 11 月发表在《应用物理学杂志》上。它被选为“编辑精选”，团队认为这是对 Goldsmid 的致敬。

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