“灯塔”基地,能源小组实验室。
自从“节点内部微能源回收”的新思路被提出,陈帆团队的研究重心发生了显着倾斜。外部环境俘能的研究并未停止,但更多的精力和最富创造力的头脑,都投入到了如何利用节点自身废热或微小内外温差的课题上。
这无疑是一个更为苛刻的挑战。它要求热电材料不仅要在微小温差下具备高转换效率,还要能制成极薄的薄膜或微米级器件,以便集成到本就已经寸土寸金的微纳节点内部,并且不能显着增加节点的整体功耗(自身废热回收的前提是净能量增益)。
研究再次陷入了僵局。已有的热电材料体系,无论是传统的bi2te3(碲化铋)基材料,还是一些新兴的硅化物、氧化物,在宏观尺度下或许表现尚可,但一旦制备成微米级薄膜,其热电性能(主要由泽贝克系数和电导率、热导率决定)往往会急剧衰减,界面效应、晶界散射等问题变得异常突出。
实验台上,各种采用不同工艺(磁控溅射、脉冲激光沉积、电化学沉积等)制备出的薄膜样品,在精密的微区热电性能测试平台上,给出的数据曲线大多令人沮丧。
“陈博士,还是不行。采用共溅射工艺的bi2te3\/Sb2te3超晶格薄膜,理论计算应该能有效降低热导率,但实际测得的泽贝克系数也比块体材料下降了近60%,整体优值(Zt值)远达不到实用要求。”一位负责材料制备的工程师摘下护目镜,疲惫地汇报道。
陈帆盯着屏幕上那条近乎平坦的曲线,眉头紧锁。他知道,他们可能触及了当前微纳热电材料领域的共性难题。“继续尝试,调整溅射功率、基底温度、退火工艺……把所有能想到的参数组合都试一遍!”他的声音带着一种近乎偏执的坚持。
就在这令人窒息的重复和失败中,一个偶然的发现,如同黑暗中划过的火柴,点燃了希望的微小火焰。
负责测试的助理研究员小张,在一次测试一种采用特殊热处理工艺制备的碲化铋复合薄膜时,由于操作失误,将测试探针的微小压力设置超出了常规范围。就在他懊恼地准备重置设备时,却意外地发现,测试屏幕上原本低迷的数据曲线,在经历了一个短暂的波动后,竟然呈现出一种前所未有的抬升趋势!
“这……这是……”小张以为自己眼花了,他小心翼翼地重复了这次“错误”的操作,并且刻意在几个不同的样品点上进行了验证。
结果令人震惊!在施加一个适当的、可控的微小机械应力(通过探针压力实现)的情况下,这种特定工艺制备出的薄膜,其泽贝克系数和电导率同步出现了显着提升,导致其瞬时Zt值达到了之前最佳水平的两倍还多!
“应力调控!是应力调控效应!”陈帆在听到小张语无伦次的汇报并亲自验证后,激动得差点跳起来,“我们一直在追求完美的晶体结构和化学组分,却忽略了外部应力场对材料电子结构和声子输运的调制作用!”
这个发现,如同在封闭的房间里打开了一扇气窗。他们立刻调整研究方向,从单纯追求材料的本征性能,转向探索“应力场辅助下的微纳热电材料性能优化”。他们开始系统地研究不同类型的应力(压应力、张应力、剪切应力)对不同结构热电薄膜性能的影响规律,并尝试设计特殊的微纳结构,在材料内部“自构筑”有益的应力场。
这是一个全新的、极具前沿性的探索方向。虽然距离制备出稳定、可靠、可批量集成的微型热电发电机还有很长的路要走,但他们终于找到了一条可能通往光明的路径。那条曾经近乎绝望的能量曲线,终于开始倔强地向上扬起了头。
实验室里,那种压抑的沉默被一种兴奋的、充满探索欲望的氛围所取代。每个人都知道,他们可能正站在一个微小却至关重要的材料奇迹的门槛上。这簇名为“应力调控”的微小火焰,虽然尚且微弱,却真实地燃烧了起来,照亮了能源困局中前行的方寸之地。