国家材料科学研究所 数字
显示塞贝克驱动横向热电发电概念的示意图(STTG)
由热电材料中的塞贝克效应感应的电荷电流在垂直于温度梯度的方向上在磁性材料中产生大的热电电压
横向热电电压是热电材料和磁性材料之间尺寸比的函数
使用我们描述STTG的唯象模型来计算实线，并且在实验中测量正方形符号
样本结构示意图
(4)比较了仅出现反常能斯特效应的普通二氧化碳的横向热电势和同时出现STTG效应和能斯特效应的二氧化碳-硅杂化结构
学分:国家材料科学研究所 NIMS的一个研究小组设计了一种新的热电发电机制，这种机制是由热电材料和磁性材料组成的混合结构
研究小组随后实际制造了这种结构，并观察到在垂直于温度梯度(即
e
横向热电发电)
这些结果可为适用于多功能能量收集技术和高灵敏度热通量传感器开发的新机制和结构设计提供见解
塞贝克效应是一种现象，其中跨越金属或半导体的温度梯度被转换成热电电压
因为这种效应可以用来将废热转化为电能，它的潜在应用(例如
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物联网设备的自主电源)已经被广泛研究
然而，塞贝克效应驱动的热电发电有缺点:热电沿着温度梯度方向(即
e
纵向热电发电)
由于这种平行关系，热电材料需要在温度梯度的方向上延伸，以产生大的温差和由此产生的大热电电压
此外，在传统的塞贝克装置中，由多对两种不同热电材料的串联连接组成的复杂结构对于提高热电电压是必要的
然而，这些布置增加了生产成本，使材料/结构不太耐用，并限制了其实际应用
相比之下，反常的能斯特效应——一种只发生在磁性材料中的热电现象——可以产生垂直于温度梯度方向的热电电压
因此，这种效应能够在横向上产生热电功率，并且可以简单地通过在垂直于温度梯度的方向上增加材料的长度来提高热电电压
横向延伸的热电材料在集成到模块中时，预计将具有显著更大的灵活性，并抵消上述与塞贝克效应相关的缺点
然而，反常的能斯特效应只能产生非常小的热功率——在接近室温时小于10μV/K——这使得它的实际应用变得困难
在这个研究项目中，研究小组设计并演示了一种新的热电发电机制，在这种机制中，由热电材料中的塞贝克效应引起的纵向热功率可以通过反常霍尔效应转化为磁性材料中的横向热功率
研究小组随后基于唯象模型计算模拟了这种机制，发现当材料和结构优化时，它有可能在垂直于温度梯度方向的100 μV/K以上产生非常高的热电势
为了从实验上验证这一结果，研究小组制作了一种混合结构，由二氧化碳——一种能够产生巨大异常霍尔效应的磁性化合物——和能够产生巨大塞贝克效应的半导体硅组成
这种结构产生了创纪录的高正负横向热电(+82 μV/K和-41 μV/K)
基于模型计算的预测很好地再现了测得的热电势的大小和符号
复合材料的热电发电能力可以通过材料和结构优化进一步提高
在这个项目中观测到的热功率比以前记录的由反常能斯特效应产生的最高热功率大10倍以上
这一结果有望显著推进R&D旨在将横向热电发电投入实际应用的努力
在未来的研究中，我们计划研究和开发有效的磁性和热电材料，使用这些材料创建复合结构，并优化其结构
然后，我们将使用这些混合材料来开发能够为物联网设备和热流传感器供电的能量收集技术，这些技术可用于节能目的
这项研究发表在日本时间2021年1月19日凌晨1:00(格林威治时间1月18日下午4:00)的英国科学杂志《自然材料》在线版上
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