在微电子与新能源领域，有一条“鱼与熊掌不可兼得”的铁律：如果一种材料导电快（发电多），它的导热往往也很快（保温难）。正因为存在这条铁律，全球超过60%的低品位废热白白耗散。能否让热量走得慢、电流跑得快？8月21日，上海交通大学胡志宇教授团队联合清华大学、香港城市大学等单位团队，在国际权威期刊《科学进展》上发表了一项创新成果。他们通过全新的“梯度界面尺寸分布”设计，打破了传统微纳材料的结构对称性，让热量和电子“分道扬镳”，创下超低导热率与超高发电功率的行业纪录。
Science Advances网站论文截图
据介绍，传统的热电材料主要靠声子传热，靠电子导电。过去，科学家为了阻挡热量，通常采用规则、重复的“超晶格”层状结构来反弹声子。这种方法有一个致命缺陷：规则的结构就像排列整齐的栅栏，虽然能挡住特定波长的声子，但也拦截了电子，导致材料的导电性能大幅下滑。
针对这个缺陷，胡志宇团队提出了“统计界面工程”的材料设计新范式。他们以经典热电材料——碲化铋和贵金属铂为模型，设计出一种厚度不均匀的梯度层状结构，其厚度呈5纳米、10纳米、15纳米交替状态。这种“刻意制造的混乱”带来了奇迹：不同波长的声子进入这个厚度不均匀的“纳米迷宫”后，引发了安德森局域化效应，热量被死死锁在本地无法传递，材料的横向导热率骤降至0.22瓦每米开尔文，几乎达到了同类材料的极限物理低值。
导热率骤降的同时，这种厚度不均匀的梯度层状结构为电子铺设了“高速路”。因为电子的波长极短，纳米级的不均匀不仅没有阻碍它，反而在梯度界面处形成了特殊的二维聚集通道。电子不仅能轻松穿透梯度界面，还在纵向上获得了极高的迁移率。在实验室，科研团队成功将材料的室温热电优值提高至1.51，并获得了优异的面内功率因子。
结构设计图与仿真计算
这不仅是一项实验室的理论突破，《科学进展》论文还展示了其器件应用潜力：基于该技术制备的柔性薄膜器件，在经历1000次弯曲后，性能几乎零衰减。把它戴在手腕上时，仅靠人体体温与空气的微小温差，就能产生稳定的电压。未来，智能手环、智能皮肤、心脏起搏器等植入式医疗器械如果采用这种柔性薄膜器件，有望彻底告别定期充电的烦恼。
如果把“梯度界面尺寸分布”设计应用于垂直固态器件，在仅仅60摄氏度的温差下，器件的体积发电功率密度就能媲美内燃机。而在通电状态下，它能展现出强大的固态制冷能力，这为下一代高性能计算机芯片、光电探测器的精确定点降温提供了无噪音解决方案。
这项创新成果还为科学界提供了一种具有普适性的“统计界面工程”新思路：想要改变材料的性能什么是股票里的杠杆，有时候不需要更换成分，改变界面的秩序与分布就能取得突破。胡志宇表示，热电材料“梯度界面尺寸分布”已进入成果转化阶段，不久的将来，一种全天候“能量自治”的绿色、无电池物联网将实现产业化，为我国实现碳达峰碳中和目标贡献力量。
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