科學家研制出固態熱二極管 可實現較大熱整流效應

記者從中科院合肥物質科學研究院了解到，該院固體所童鵬研究員團隊，基于前期研發的新型熱導率自主調控材料，研制出具有優異熱整流性能的固態熱二極管，相關研究結果日前發表在《應用物理評論》上。

據統計，約90%的能源在使用過程中涉及熱量的產生和操控。從化石燃料發電，到廢熱回收利用、建筑物供暖，再到動力電池熱管理、微電子器件散熱等，都離不開熱量的產生與傳輸。因此，有效控制熱量，使其按需、有序傳輸，對于提高能源利用率、實現節能減排和可持續發展均具有重要意義。

熱二極管是一種極其重要的熱流控制元件。在熱二極管中，熱流正向導通，而沿相反方向則受到阻礙，即熱整流效應。按照熱量傳輸方式的不同，實現熱整流的方法也有所不同。利用氣體或液體在不同方向的對流強度不同、材料的輻射率隨溫度的非線性變化，可實現較大的熱整流效應，但其裝置難以小型化。將具有相反的熱導率溫度關系的兩種固態材料構筑成異質結，可獲得傳導熱整流效應，同時可以避免上述問題。其中具有非線性熱導率溫度依賴關系的固態材料是實現高整流效率的關鍵。

研究團隊前期研究中發現了六角硫化物具有奇異熱導率跳變行為，熱導率在相變處變化率高達200%，即該材料的導熱能力在高低溫下存在巨大差異。在此基礎上，研究人員利用六角硫化物和三氧化二鋁分別作為兩端構筑了熱二極管，其具有優異的整流性能：當熱二極管冷端溫度設定為250K時，在溫差為97K條件下，最大熱整流系數可達1.51。在小于100K的驅動溫差下，其最大熱整流系數也高于已報道的同類固態熱二極管。在此基礎上，通過理論計算進一步為提高熱整流系數提供了理論依據，也為基于固態相變材料設計新型熱二極管提供了參考。

此外，研究人員發現六角硫化物系列材料的相變溫度可以通過改變鐵含量進行調控，且均具有可逆的熱導率突變，從而為設計和構建面向不同工作溫區和應用環境的高性能固態熱二極管提供了備選材料。(記者 吳長鋒)

關鍵詞： 固態熱二極管 熱整流效應 控制熱量 節能減排