19世纪初，德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克(Thomas Johann Seebeck)首次发现热电效应，即热量与电力可以相互转换。经过近一个世纪的理论发展，碲化铋在1940年代因其优异的低温热电性能受到关注，并通过掺杂元素(如锑或硒)进一步提升性能。进入21世纪，碲化铋已作为高效、环保的热电材料，广泛应用于节能与绿色能源技术。
想象一下，假如你有一个奇的魔法盒子，它可以把周围的热量变成电力，甚至可以用来给你的手机充电!这听起来像科幻电影中的科技，但实际上，这个魔法盒子背后有一个非常重要的材料——碲化铋(Bi2Te3)。
悄然出现的“热电魔法”
早在19世纪初期，物理学家们就开始发现，热量和电力之间竟然可以相互转换。简单来说，当材料的一端被加热时，另一端会产生电流，因此热量会变成电力。这个发现就像是打破了热量和电流之间的“魔法屏障”，让科学家们看到了材料神奇的一面。到了1821年，德国杰出的物理学家托马斯·约翰·塞贝克(Thomas Johann Seebeck)进一步通过实验揭示了热电效应的真谛。又过了将近100年的时间，1910年，德国物理学家马克斯·冯·劳厄(Max von Laue)提出了关于热电效应的理论模型[1]，这是热电效应研究中的重要里程碑。冯·劳厄的模型为热电材料的理论研究奠定了基础，并揭示了材料中温差引起的电流与温差造成的电子迁移之间的关系。尽管这一理论为理解热电效应提供了重要框架，但它并未针对特定材料的性能做出深刻预测，因此在实际应用方面的指导意义较为有限。
为了弥补这一不足，研究的重点逐渐从理论模型转向了对具体材料性能的探索。在这一过程中，虽然劳德·凯文(Lord Kelvin)的工作在物理学理论层面深化了对热电效应的理解，但也并未将特定材料作为研究的核心[2]。当时，热电效应的基础理论和热电材料的性能改善仍然处于发展的起步阶段，碲化铋虽然被视为一种具有潜力的热电材料，但尚未引起广泛的重视与研究[3,4]。因此，这一时期的科研工作，犹如在探寻传说中的“魔法石”，科学家确信其存在，却仍在摸索其确切所在。换言之，他们知道热电效应的应用潜力巨大，但尚未发现能高效利用这一效应的理想材料。
那么，碲化铋是如何崭露头角的呢?事实上，碲化铋这种材料在最初并没有引起太多关注。直到1940年代，研究人员才发现，碲化铋的性能远超预期，尤其是在低温下，它能够非常高效地将热能转化为电能，就像是隐藏在冰箱里的神奇电池。20世纪中期，科学家开始尝试为这位“天才”配上合适的“魔法武器”，即在碲化铋中加入其他元素，比如锑(Sb)或硒(Se)，这些掺杂的元素大大提升了碲化铋的热电性能，使其转化效率更上一层楼。随着掺杂技术的不断发展，碲化铋逐渐成为热电领域的明星材料。
神奇的能量转换材料
物理进入21世纪，碲化铋这个曾经“默默无闻”的材料，终于凭借其独特的晶体结构和优异的热电转换效率，进入大众视野。它不仅仅是实验室里的神奇材料，更成为节能、环保和可再生能源领域中的重要一员，被广泛应用于热电发电
[5–7] 和 热电制冷 [8,9] 等多个 领域 ，展现了巨大的应用潜力和价值。
热电发电
现代社会中几乎所有的设备和机器都会产生“废热”。比如，开车时发动机发热、工业生产中的机器运转时会产生大量热量，甚至家里的冰箱和空调也会不断释放热气。这些热量如果不能得到有效利用，往往就会被浪费。碲化铋的出现，让我们看到了热能回收的希望。
碲化铋是一种非常擅长在温差存在的情况下，将热能转化为电能的材料。这一转换机制正是基于塞贝克效应，即当不同温度的两端连接导电材料时，温差会驱动电子流动，从而产生电压。
塞贝克效应示意图
当你在车里，发动机的温度很高，而车窗外的环境又相对凉爽，碲化铋就能通过这种温差，将废热转化为电流，为车上的电子设备提供能源。你能想象到的每一次汽车发热、每一次机器工作产生的热量，都可能通过碲化铋转化为我们可以使用的电能!这不仅能够有效减少能源浪费，还能在能源紧张的情况下提高系统的整体效率。在新能源汽车中，碲化铋就有潜力成为节能的重要组成部分，帮助车主更加高效地利用能源，提升行驶里程。
热电制冷
碲化铋具有优异的导电性和较低的热导率，能够高效实现热量转移，从而达到制冷效果。这一转换机制正是基于帕尔贴效应，其核心在于通过电流来驱动热量，使其从材料的一端转移到另一端。而这一特性使得碲化铋在小型化、精准化和环保要求高的场景中尤为适用。
帕尔贴效应示意图
传统的空调和冰箱通过压缩机来实现制冷，这种方式不仅能耗高，还会产生噪声和污染。而碲化铋制冷技术，则是一种更加安静、环保的解决方案。当你在使用便携式冰箱、小型冷却设备，或者在某些高精密设备中(比如电子元件或激光设备)需要精准控制温度时，碲化铋的热电制冷就能发挥作用。只要在设备两端加上电流，含碲化铋的一侧就会变冷，另一侧则会释放热量，就像一台“无噪声、无污染”的小型空调。未来，随着技术的进步，碲化铋制冷很可能会成为我们日常生活中的标配技术。
可穿戴设备
随着可穿戴技术的蓬勃发展，碲化铋作为一种创新材料，正逐渐融入各类新兴设备之中，如智能手表、健康监测器及运动手环等。碲化铋凭借其独特的热电转换能力，能在人体温度与外界环境的微小温差间催生电流，为设备供电。未来，这些设备或许将告别传统充电方式，转而利用人体自然散发的热量作为能源。
碲化铋的应用
据最新研究显示，通过引入分层增强的设计理念，柔性碲化铋薄膜的热电效率可实现显著提升[10,11]。这些薄膜在弯曲1000次后仍能保持卓越的性能表现，为柔性热电发电装置的应用开辟了新的道路。同时，碲化铋基块状热电晶体在室温下展现出的出色塑性，如同金属一般，使得材料加工更为简便，易于塑造为可穿戴设备所需的柔性结构。这一技术的革新，不仅让设备更加环保，还极大降低了对外部充电宝及电池的依赖，有效缓解了用户的“电量焦虑”。试想，未来的智能手表不仅能够精准记录健康数据，还能巧妙地从用户的体温中捕获能量，确保设备时刻处于满电状态，真正诠释了“绿色科技”的核心理念。
节能环保
在全球能源危机与气候变化加剧的背景下，节能与环保已成为各国政府及科技企业的首要关注点。碲化铋，这一绿色能源新星，正默默引领着能源利用的新变革。它能有效回收废热，提升能源转换效率，助力减少对化石燃料的依赖，并大幅降低碳排放量。
在工业领域，碲化铋的应用尤为亮眼。通过将工业设备产生的废热转化为可用能源，它不仅显著提高了工厂的能源使用效率，还有效减少了热量的损失，从而降低了温室气体排放，为环境保护做出了积极贡献。这一创新技术不仅体现了资源循环利用的智慧，也展现了科技在应对气候变化中的关键作用。
工业污染
未来，随着全球对可再生能源需求的不断增长，碲化铋的潜力与价值将更加凸显。它有望成为破解能源难题、推动能源转型的重要力量，为构建清洁、低碳、可持续的能源体系提供有力支撑。因此，加大对碲化铋等绿色能源材料的研发与应用，对于应对全球能源挑战、实现绿色发展具有重要意义。
随着科技的不断进步，碲化铋的应用还在不断拓展。从废热回收到智能穿戴，从热电制冷到绿色能源，它正在用自己的力量推动着节能环保技术的发展，为我们的生活带来更多的便利与环保，帮助我们更高效地利用每一份热量，减少对传统能源的依赖，为绿色能源注入新的活力，为智能科技提供全新的动力来源，推动社会向更加绿色、环保、高效的生活方式迈进。
参考文献
[1]Moore M. Max von Laue-Intrepid and True: A Biography of the Physics Nobel Laureate: By Jost Lemmerich, Switzerland. Springer Cham, 2022,
[2]Griffiths H. Lord Kelvin and the Kelvin Wake. IEEE Aerosp Electron Syst Mag, 2024, 39 (4): 50–51.
[3]Li J, Tan Q, Liu D, et al. BiSbTe-based nanocomposites with high ZT: The effect of SiC nanodispersion on thermoelectric properties. Advanced Functional Materials, 2013, 23(35): 4317-4323.[4]Zhu Y, Sun Y. Mediating point defects endows n-type Bi2Te3 with high thermoelectric performance and superior mechanical robustness for power generation application. Small, 2022, 18(23): 2201352.
[5]Xiao Y, Zhao L D. Seeking new, highly effective thermoelectrics. Science, 2020, 367(6483): 1196-1197.
[6]Zhao L D, Tan G. Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe. Science, 2016, 351(6269): 141-144.
[7]Su L, Wang D. High thermoelectric performance realized through manipulating layered phonon-electron Decoupling. Science, 2022, 375(6587): 1385-1389.
[8]Sun W, Liu W D. Advances in thermoelectric devices for localized cooling. Chemical Engineering Journal, 2022, 450: 138389.
[9]Yang Z, He B. Enhancement of thermoelectric cooling by hot-end electroluminescence. Energy Conversion and Management, 2022, 267: 115871.
[10]Deng T, Gao Z. Room-temperature exceptional plasticity in defective Bi2Te3-based bulk thermoelectric crystals. Science, 2024, 386(6726): 1112-1117.
[11]Lu Y. Staggered-layer-boosted flexible Bi2Te3 films with high thermoelectric performance. Nature Nanotechnology, 2023, 18(11): 1281-1288.
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来源：科学杂志1915
原标题：神奇的碲化铋
编辑：潇潇雨歇
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