光学、热学与输运性质

优值

/ FIG-yer uv MAIR-it /

你买车时,不会把每一页规格表逐行读完——而是瞥一眼像每加仑能跑多少英里这样一个概括的数字,一眼就掂量出好坏。工程师想为热电材料找到同样的捷径,一个能说出这玩意儿把热转成电的本事如何的单一评分。这个评分,就是优值。

热电优值,常写作 ZT,把三项互相较劲的材料性质打包成一个数。一种出色的热电材料,需要每相差一度就有大的热电电压,需要容易导电以免电流被白白浪费成热,还需要导热很差,好让一道温差能在它两端维持住。优值奖励前两项、惩罚最后一项,再乘以温度,就得到无量纲的 ZT。它越高,器件就越接近物理定律所允许的最佳效率。

优值之所以重要,是因为它是热电研究的北极星:每一种新材料,都以它是否把 ZT 推得更高来评判。一个令人沮丧而诚实的事实是,那三种成分彼此对着干——让电子流得更顺畅,通常也会把热一并拖来——所以几十年里 ZT 一直卡在一附近,只能给出不高的效率。一个常见的误解是以为优值高就等于效率直接就高;它定下的是天花板,而真实的器件,连同它的接触和损耗,总是达不到那个上限。

碲化铋是珀尔帖制冷器和车载冷藏箱的主力,它在室温附近的优值 ZT 大约为一。研究者在追逐 ZT 达到二或三的材料——办法是把它们做成纳米结构,去散射携带热量的声子、却放电子过去——一旦成功,便能把汽车尾气和工厂烟囱变成切实可用的回收电力之源。

把优值从一提升到接近三,是热电研究的核心目标。

优值是针对某一温度而言的——一种材料在室温附近可能极好,烧红时却很差,所以一个必须跨越很大温度范围的器件,往往把不同的材料叠起来,让每一种在自己最擅长的温区里发挥。

又称
thermoelectric figure of meritZT优值