【编者按】科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。进入21世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。

南科大校长陈十一认为，为促进大众科技认识的提升和科学精神的培养贡献高校力量，南科大在这一方面必须有所作为，有所担当。如今，在粤港澳大湾区和深圳建设中国特色社会主义先行示范区“双区驱动”带来的打造世界级高校集群、推动湾区科技创新腾飞的时代背景下，南科大愿以探路者的姿态，举起创新科普文化、推动科技传播的大旗，依托学校专才集聚的一流师资，全面专业的学科布局、国际领先的学术成果、深度融合的产学研体系等优势资源，着力打造高科技知识科普平台，普及科学知识、倡导科学方法、传播科学思想、弘扬科学精神、点燃科学之光。

即日起，由南科大教授会牵头，集结学校有志于科普事业和文化传播的师生之力，依托南科大官网、官微和学生组织自媒体平台，我们推出“十万个高科技为什么”系列科普报道。不同于中国青少年科普丛书《十万个为什么》，此系列更侧重于面向中学生及以上的青年读者和社会大众，着力聚焦前沿科技领域，普及高科技知识，共享高科技力量，在全社会推动形成讲科学、爱科学、学科学、用科学的氛围。

随着5G、云计算、AI等技术的发展，高科技已经深入到生活和社会的方方面面。我们希望通过“十万个高科技为什么”科普系列报道，连接科学与人文、过去与未来、精英与大众、科技与应用，让高科技知识“飞入寻常百姓家”；同时进一步推进南科大各学科领域之间、南科大与各高校之间、南科大与社会大众之间的跨学科、跨院校、跨领域的文化交流与协同创新；并为培养具有科学精神与创新能力的时代新人提供思考和启发。

2019年春节，一部《流浪地球》让我们对太空更加憧憬。该电影讲述了太阳衰老后可能发生氦闪，为了避免地球家园被毁，人类制造大量宇宙发动机驱动地球飞往另外一个恒星的故事。

虽然人类还无法真正实现上述惊天动地的行为，但目前我们已经拥有了飞机，火箭和无人宇宙探测器，可以进行宇宙探索。1977年，美国发射了旅行者号飞船。目前，旅行者1号和他的姐妹飞船旅行者2号已经飞到太阳系边缘，向地球传送回来大量关于太阳系边缘的信息。2018年，飞船首席科学家Edward C Stone博士在国际热电大会上，总结了这两艘飞船最大的科学发现：太阳风在太阳系的边缘构成了一个保护屏障，使太阳系免受宇宙射线的侵入。

图 1   科幻电影中的飞船

图2  旅行者1号宇宙探测器

旅行者号太空飞船的动力是汽油？还是太阳能？答：“都不是！”

旅行者号连续飞行了35年，其“发动机”是一种叫做核电池的能源。核电池与我们日常使用的化学电池不同，它不储存电能，而更像是一台发电机，持续将放射性同位素（²³⁸Pu，⁹⁰Sr等）自然衰变过程中释放的热能直接转换成电能。放射性同位素的寿命很长，可以持续放热几年甚至几十年。核电池中用热电材料实现热能到电能的转换。热电现象是1821年由德国物理学家Seebeck最先发现的。所有导电的材料都基于热电效应：也就是在温度场下有电压产生。好的热电材料是一种半导体材料，其性能介于导电的金属材料和不导电的非金属材料之间。

与我们电脑芯片和太阳能电池所用材料一样，为旅行号太空飞船提供电能的热电材料的主要元素也是硅（Si）。硅是一种从沙子（二氧化硅，Si）还原与提纯出来的一种单质。用于电脑芯片的硅要求纯度极高（9-11 N，N表示小数点后面有N个零），而太阳能电池要求次之（6-8 N），而作为热电材料的硅只需要纯度在3- 5 N就足够了。热电材料除了满足半导体特性意外，它还需要满足导电而不导热的特性。通过掺杂，单晶硅的电导率可以很高 （>10⁵ S·m^-1），但热导率也很高 （> 10² W·m^-1·K^-2），所以不满足热电材料所需。

上世纪50年年代，苏联科学家Ioffe科学家提出了合金化散射理论，也就是我们可以给Si找一个好朋友Ge，让它们互相混在一起，这就好像把卤水放进了豆浆做出豆腐一样。由Si和Ge相互混在一起的新材料叫SiGe合金，它具有很好的导电率，而热导率可以降低到约10 W·m^-1·K^-2。因此，这种材料可以用作热电材料。

为什么加入Ge之后，会大大降低Si的热导率？

我们可以想象在池塘里玩打水漂的情形。如果池塘水面很平净，我们用石头打出的水浪容易从近传到远处。但是如果池塘里有很多的树桩或露出水面的石头，我们打出的水波就会被树桩和石头阻隔时，发生散射，不容易传到远处。

在原子尺度，其基本原理和上述过程类似。也就是在Si材料里加入一些可以产生阻碍的成分，Ge刚好可以胜任。这样原子振动（也就是热能）就不容易从一端传递到另外一端，其效果就是热导率的大幅度降低。

我们再看看SiGe合金的导电特性。在元素周期表中，Si和Ge属于同一族元素，都拥有4个最外层价电子，这个价电子彼此配对形成共价键，将原子紧紧连接在一起，这其实不利于导电。我们可进一步在GeSi合金分别加入一点磷P，由于P最外层价电子有5个电子，它在提供形成共价键所需要的4个电子以外还会多出一个电子，实现导电功能。当P含量约1% 左右，就足够将SiGe合金的电导率提高到10⁵ S·m^-1水平；此外，如果在GeSi合金加入一点硼B，效果就完全不一样了。由于B最外层只有3个电子，它在提供形成共价键所需要的3个电子以外还会空一个空位，这个空位就相当于一个带有相反电荷的“电子”，我们把它叫做空穴。同样大约掺杂量为1% B的也可以将SiGe合金的电导率提高到10⁵ S·m^-1水平。我们将主要由电子负责电传导的材料（SiGe-P）叫做N型半导体，把由空穴负责电传导的材料（SiGe-B）叫做P型半导体。

当我们把N型或P型热电材料一端加热时，电子或空穴都会从热端扩散到冷端，并形成电子或空穴的浓度差异，产生电压也叫热电势，其中N型热电材料获得负热电势，P型热电材料获得正的热电势。当我们把N型或P型热电材料串联起来，我们就可以获得一个温差发电器件。当在这个热电器件的两端加上一个温差，就会有源源不断的电能产生，这也就是为旅行者号太空飞船实现太空旅行的神奇热电材料。我们期待我们自主研发的核电池能够早日带着我们中国自己的宇宙飞船飞向外太空，带着我们的梦想去探寻。

除了SiGe合金以外，在同一时期被发现的热电材料还有Bi₂Te₃和PbTe合金。图4是自上世纪50年代被相继发现的各种新型热电材料，他们分别由不同的化学元素组成，并按照不同结构有序排列。材料科学就通过理论的或经验的规则，把特定元素按照特定有序结构排列成新材料，实现特殊功能。热电材料与器件还可以被为电子和通信行业中芯片的强制散热。

南方科技大学的科学家们正致力于新型热电材料的设计，并研发具有高可靠性能的人体体温发电柔性热器件，为医疗康复检测传感器提供持续电源。此外，我们还可研究如何把软软的热电材料拿当做未来机器人的皮肤，这样机器人的皮肤就能像人的皮肤一样，不再冷冰，并能够灵敏地感受天气变化。

图3 自上世纪50年代被相继发现的各种新型热电材料

参考文献：

1. M. Rowe, CRC Hand Book of Thermoelectric, CRC Press, Boca Raton, 1994.
2. S. Liu, J. Z. Hu, S. M. Zhang, M. J. Deng, C. G. Han and Y. Liu, “New trends, Strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective”, Materials Today Physics, 1, 50-60 (2017).

作者简介：

刘玮书， 南科大材料系副教授。1999-2003年重庆大学无机非金属材料系，硕士学位；2003-2009年 北京科技大学无机非金属系，硕博联读，获得工学博士学位。曾于美国华盛顿大学，波士顿学院，休斯顿大学，Sheetak公司等研究机构和企业任博士后，副研究员，主任科学家等职。研究兴趣包括：电子声子输运，热电材料，能量捕获等。

致谢：

南科大海洋系教授刘青松与招生办崔繁通读全文，并提出宝贵的修改意见。感谢上海硅酸盐所的柏胜强教授在原子能电池部分提供的指导。

图片提供：刘玮书

编辑：劳湘雯

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