“電子三明治”提高熱電轉換效率

朱崇愷

電廠、工廠、汽車、計算機甚至人體，在工作的過程中都會產生余熱，這些余熱又稱為“廢熱”，而這一部分的熱量往往都會被浪費掉。解決這個問題的方法之一，是將浪費的熱量轉換成電能，這被稱為熱電轉換。但是，由于材料內所需特性之間的權衡關系，提高轉換率一直很困難。

當熱電材料中存在溫差時，它能夠將熱能轉化為電能，這種現象稱為塞貝克效應。塞貝克效應的實質在于，兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差（電壓），該電勢差是由于兩種金屬中的電子溢出功不同以及兩種金屬中電子濃度不同造成的。科學家一直在研究如何將電子限制在狹窄的空間內，以此來提高熱電轉換效率。研究人員預測，如果德布羅意波長較長的電子（也就是更加分散的電子）被限制在一個狹窄的導電層中，那么熱電轉換效率可以顯著提高，但這尚未得到實驗證實。

由北海道大學太田裕道（Hiromichi Ohta）教授領導的研究小組設計了一個超晶格，其中電子分布比先前的實驗擴大了30%。這不但導致了更高的電壓，而且使熱電轉換效率比原先的記錄增加了一倍。太田裕道教授認為“這是朝著降低電廠、工廠、汽車、電腦甚至人體浪費的熱量的目標，邁出的重要一步”。