19世紀(jì)初，德國(guó)物理學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克(Thomas Johann Seebeck)首次發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)，即熱量與電力可以相互轉(zhuǎn)換。經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的理論發(fā)展，碲化鉍在1940年代因其優(yōu)異的低溫?zé)犭娦阅苁艿疥P(guān)注，并通過摻雜元素(如銻或硒)進(jìn)一步提升性能。進(jìn)入21世紀(jì)，碲化鉍已作為高效、環(huán)保的熱電材料，廣泛應(yīng)用于節(jié)能與綠色能源技術(shù)。

想象一下，假如你有一個(gè)奇的魔法盒子，它可以把周圍的熱量變成電力，甚至可以用來給你的手機(jī)充電!這聽起來像科幻電影中的科技，但實(shí)際上，這個(gè)魔法盒子背后有一個(gè)非常重要的材料——碲化鉍(Bi2Te3)。

悄然出現(xiàn)的“熱電魔法”

早在19世紀(jì)初期，物理學(xué)家們就開始發(fā)現(xiàn)，熱量和電力之間竟然可以相互轉(zhuǎn)換。簡(jiǎn)單來說，當(dāng)材料的一端被加熱時(shí)，另一端會(huì)產(chǎn)生電流，因此熱量會(huì)變成電力。這個(gè)發(fā)現(xiàn)就像是打破了熱量和電流之間的“魔法屏障”，讓科學(xué)家們看到了材料神奇的一面。到了1821年，德國(guó)杰出的物理學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克(Thomas Johann Seebeck)進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)揭示了熱電效應(yīng)的真諦。又過了將近100年的時(shí)間，1910年，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·馮·勞厄(Max von Laue)提出了關(guān)于熱電效應(yīng)的理論模型[1]，這是熱電效應(yīng)研究中的重要里程碑。馮·勞厄的模型為熱電材料的理論研究奠定了基礎(chǔ)，并揭示了材料中溫差引起的電流與溫差造成的電子遷移之間的關(guān)系。盡管這一理論為理解熱電效應(yīng)提供了重要框架，但它并未針對(duì)特定材料的性能做出深刻預(yù)測(cè)，因此在實(shí)際應(yīng)用方面的指導(dǎo)意義較為有限。

為了彌補(bǔ)這一不足，研究的重點(diǎn)逐漸從理論模型轉(zhuǎn)向了對(duì)具體材料性能的探索。在這一過程中，雖然勞德·凱文(Lord Kelvin)的工作在物理學(xué)理論層面深化了對(duì)熱電效應(yīng)的理解，但也并未將特定材料作為研究的核心[2]。當(dāng)時(shí)，熱電效應(yīng)的基礎(chǔ)理論和熱電材料的性能改善仍然處于發(fā)展的起步階段，碲化鉍雖然被視為一種具有潛力的熱電材料，但尚未引起廣泛的重視與研究[3,4]。因此，這一時(shí)期的科研工作，猶如在探尋傳說中的“魔法石”，科學(xué)家確信其存在，卻仍在摸索其確切所在。換言之，他們知道熱電效應(yīng)的應(yīng)用潛力巨大，但尚未發(fā)現(xiàn)能高效利用這一效應(yīng)的理想材料。

那么，碲化鉍是如何嶄露頭角的呢?事實(shí)上，碲化鉍這種材料在最初并沒有引起太多關(guān)注。直到1940年代，研究人員才發(fā)現(xiàn)，碲化鉍的性能遠(yuǎn)超預(yù)期，尤其是在低溫下，它能夠非常高效地將熱能轉(zhuǎn)化為電能，就像是隱藏在冰箱里的神奇電池。20世紀(jì)中期，科學(xué)家開始嘗試為這位“天才”配上合適的“魔法武器”，即在碲化鉍中加入其他元素，比如銻(Sb)或硒(Se)，這些摻雜的元素大大提升了碲化鉍的熱電性能，使其轉(zhuǎn)化效率更上一層樓。隨著摻雜技術(shù)的不斷發(fā)展，碲化鉍逐漸成為熱電領(lǐng)域的明星材料。

神奇的能量轉(zhuǎn)換材料

物理進(jìn)入21世紀(jì)，碲化鉍這個(gè)曾經(jīng)“默默無聞”的材料，終于憑借其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)入大眾視野。它不僅僅是實(shí)驗(yàn)室里的神奇材料，更成為節(jié)能、環(huán)保和可再生能源領(lǐng)域中的重要一員，被廣泛應(yīng)用于熱電發(fā)電

[5–7] 和 熱電制冷 [8,9] 等多個(gè) 領(lǐng)域 ，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力和價(jià)值。

熱電發(fā)電

現(xiàn)代社會(huì)中幾乎所有的設(shè)備和機(jī)器都會(huì)產(chǎn)生“廢熱”。比如，開車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱、工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，甚至家里的冰箱和空調(diào)也會(huì)不斷釋放熱氣。這些熱量如果不能得到有效利用，往往就會(huì)被浪費(fèi)。碲化鉍的出現(xiàn)，讓我們看到了熱能回收的希望。

碲化鉍是一種非常擅長(zhǎng)在溫差存在的情況下，將熱能轉(zhuǎn)化為電能的材料。這一轉(zhuǎn)換機(jī)制正是基于塞貝克效應(yīng)，即當(dāng)不同溫度的兩端連接導(dǎo)電材料時(shí)，溫差會(huì)驅(qū)動(dòng)電子流動(dòng)，從而產(chǎn)生電壓。

塞貝克效應(yīng)示意圖

當(dāng)你在車?yán)铮l(fā)動(dòng)機(jī)的溫度很高，而車窗外的環(huán)境又相對(duì)涼爽，碲化鉍就能通過這種溫差，將廢熱轉(zhuǎn)化為電流，為車上的電子設(shè)備提供能源。你能想象到的每一次汽車發(fā)熱、每一次機(jī)器工作產(chǎn)生的熱量，都可能通過碲化鉍轉(zhuǎn)化為我們可以使用的電能!這不僅能夠有效減少能源浪費(fèi)，還能在能源緊張的情況下提高系統(tǒng)的整體效率。在新能源汽車中，碲化鉍就有潛力成為節(jié)能的重要組成部分，幫助車主更加高效地利用能源，提升行駛里程。

熱電制冷

碲化鉍具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和較低的熱導(dǎo)率，能夠高效實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到制冷效果。這一轉(zhuǎn)換機(jī)制正是基于帕爾貼效應(yīng)，其核心在于通過電流來驅(qū)動(dòng)熱量，使其從材料的一端轉(zhuǎn)移到另一端。而這一特性使得碲化鉍在小型化、精準(zhǔn)化和環(huán)保要求高的場(chǎng)景中尤為適用。

帕爾貼效應(yīng)示意圖

傳統(tǒng)的空調(diào)和冰箱通過壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)制冷，這種方式不僅能耗高，還會(huì)產(chǎn)生噪聲和污染。而碲化鉍制冷技術(shù)，則是一種更加安靜、環(huán)保的解決方案。當(dāng)你在使用便攜式冰箱、小型冷卻設(shè)備，或者在某些高精密設(shè)備中(比如電子元件或激光設(shè)備)需要精準(zhǔn)控制溫度時(shí)，碲化鉍的熱電制冷就能發(fā)揮作用。只要在設(shè)備兩端加上電流，含碲化鉍的一側(cè)就會(huì)變冷，另一側(cè)則會(huì)釋放熱量，就像一臺(tái)“無噪聲、無污染”的小型空調(diào)。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，碲化鉍制冷很可能會(huì)成為我們?nèi)粘Ｉ钪械臉?biāo)配技術(shù)。

可穿戴設(shè)備

隨著可穿戴技術(shù)的蓬勃發(fā)展，碲化鉍作為一種創(chuàng)新材料，正逐漸融入各類新興設(shè)備之中，如智能手表、健康監(jiān)測(cè)器及運(yùn)動(dòng)手環(huán)等。碲化鉍憑借其獨(dú)特的熱電轉(zhuǎn)換能力，能在人體溫度與外界環(huán)境的微小溫差間催生電流，為設(shè)備供電。未來，這些設(shè)備或許將告別傳統(tǒng)充電方式，轉(zhuǎn)而利用人體自然散發(fā)的熱量作為能源。

碲化鉍的應(yīng)用

據(jù)最新研究顯示，通過引入分層增強(qiáng)的設(shè)計(jì)理念，柔性碲化鉍薄膜的熱電效率可實(shí)現(xiàn)顯著提升[10,11]。這些薄膜在彎曲1000次后仍能保持卓越的性能表現(xiàn)，為柔性熱電發(fā)電裝置的應(yīng)用開辟了新的道路。同時(shí)，碲化鉍基塊狀熱電晶體在室溫下展現(xiàn)出的出色塑性，如同金屬一般，使得材料加工更為簡(jiǎn)便，易于塑造為可穿戴設(shè)備所需的柔性結(jié)構(gòu)。這一技術(shù)的革新，不僅讓設(shè)備更加環(huán)保，還極大降低了對(duì)外部充電寶及電池的依賴，有效緩解了用戶的“電量焦慮”。試想，未來的智能手表不僅能夠精準(zhǔn)記錄健康數(shù)據(jù)，還能巧妙地從用戶的體溫中捕獲能量，確保設(shè)備時(shí)刻處于滿電狀態(tài)，真正詮釋了“綠色科技”的核心理念。

節(jié)能環(huán)保

在全球能源危機(jī)與氣候變化加劇的背景下，節(jié)能與環(huán)保已成為各國(guó)政府及科技企業(yè)的首要關(guān)注點(diǎn)。碲化鉍，這一綠色能源新星，正默默引領(lǐng)著能源利用的新變革。它能有效回收廢熱，提升能源轉(zhuǎn)換效率，助力減少對(duì)化石燃料的依賴，并大幅降低碳排放量。

在工業(yè)領(lǐng)域，碲化鉍的應(yīng)用尤為亮眼。通過將工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)化為可用能源，它不僅顯著提高了工廠的能源使用效率，還有效減少了熱量的損失，從而降低了溫室氣體排放，為環(huán)境保護(hù)做出了積極貢獻(xiàn)。這一創(chuàng)新技術(shù)不僅體現(xiàn)了資源循環(huán)利用的智慧，也展現(xiàn)了科技在應(yīng)對(duì)氣候變化中的關(guān)鍵作用。

工業(yè)污染

未來，隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，碲化鉍的潛力與價(jià)值將更加凸顯。它有望成為破解能源難題、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的重要力量，為構(gòu)建清潔、低碳、可持續(xù)的能源體系提供有力支撐。因此，加大對(duì)碲化鉍等綠色能源材料的研發(fā)與應(yīng)用，對(duì)于應(yīng)對(duì)全球能源挑戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展具有重要意義。

隨著科技的不斷進(jìn)步，碲化鉍的應(yīng)用還在不斷拓展。從廢熱回收到智能穿戴，從熱電制冷到綠色能源，它正在用自己的力量推動(dòng)著節(jié)能環(huán)保技術(shù)的發(fā)展，為我們的生活帶來更多的便利與環(huán)保，幫助我們更高效地利用每一份熱量，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，為綠色能源注入新的活力，為智能科技提供全新的動(dòng)力來源，推動(dòng)社會(huì)向更加綠色、環(huán)保、高效的生活方式邁進(jìn)。

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（參考文獻(xiàn)可上下滑動(dòng)查看）

來源：科學(xué)雜志1915

原標(biāo)題：神奇的碲化鉍

編輯：瀟瀟雨歇

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