熱電材料將熱量轉化為電能，反之亦然，其原子結構跟它們的性能如何密切相關。現在，研究人員已經發現如何利用強烈的激光脈衝改變一種高效的熱電材料–硒化錫的原子結構。這項成果開闢了一條新的途徑進而通過控制其結構來改善熱電材料和一系列其他材料，並創造出具有戲劇性的新特性的材料，這些特性可能在自然界中不存在。
在美能源部SLAC國家加速器實驗室進行的實驗中發揮了重要作用的斯坦福大學研究生Yijing Huang說道：“對於這類材料來說，這是非常重要的，因為它們的功能特性跟它們的結構有關。通過改變你投入的光的性質，你可以定製你創造的材料的性質。”
實驗是在SLAC的X射線自由電子激光器，即直線極速器相干光源(LCLS)進行的。這些結果於2022年2月14日發表在《Physical Review X》上報道並將在一個專門討論超快科學的特刊中重點介紹。
熱 vs. 光
由於熱電技術將廢熱轉化為電能，因此被認為是一種綠色能源。熱電發電機為阿波羅登月項目提供了電力，研究人員一直在研究如何利用它們將人體的熱量轉化為電力從而為小工具充電及其他一些事情。反向運行時，它們會產生一個熱梯度，進而可用於在沒有移動部件的冰箱中冷藏葡萄酒。
硒化錫被認為是最有前途的熱電材料之一，它以單個晶體的形式生長，相對便宜且易於製造。Huang稱，跟許多其他熱電材料不同，硒化錫是無鉛的且它是一種更有效的熱轉換器。由於它由規則的立方體晶體組成，類似於岩鹽的晶體，它也相對容易製造和修補。
為了探索這些晶體對光的反應，研究小組用近紅外激光的強脈衝照射硒化錫以改變其結構。光線激發了樣品原子中的電子並移動了其中一些原子的位置、扭曲了它們的排列。
然後研究人員用來自LCLS的X射線激光脈衝跟蹤並測量了這些原子運動以及由此產生的晶體結構的變化，其速度則快到足以捕捉到發生在百萬分之一秒內的變化。
這項研究的報告共同作者、SLAC和斯坦福大學的教授、斯坦福PULSE研究所所長David Reis表示：“你需要LCLS提供的超快脈衝和原子分辨率來重建原子的移動位置。如果沒有這一點，我們就會把故事弄錯。”
一個驚人的結果
這個結果是相當出乎意料的，當Huang告訴團隊其他成員她在實驗中看到的情況時他們很難相信她。
改變硒化錫原子結構的一個屢試不爽的方法是施加熱量，它以一種可預測的方式改變材料，實質上是讓這種特殊材料的性能更好。傳統的看法是，應用激光會產生跟加熱基本相同的結果。
“這就是我們最初認為會發生的事情，”SLAC的工作人員科學家Mariano Trigo說道，“但經過近兩年的討論，Yijing終於說服了團隊的其他成員，不，我們正在推動材料走向一個完全不同的結構。我認為這個結果違背了大多數人的直覺，即當你把電子激發到更高的能級時會發生什麼。”他是SLAC的斯坦福材料和能源科學研究所(SIMES)的調查員。
杜克大學的研究生Shan Yang的理論計算證實，對實驗數據的這種解釋是正確的。“這種材料和它的類別當然非常有趣，因為它是一個小的變化可能導致非常不同結果的系統。但用光製作全新結構的能力–我們不知道如何用任何其他方式製作的結構–大概比這更普遍。”
另外，Yang還補充稱，它可能有用的一個領域是幾十年來對製造超導體–無損耗地導電的材料–在接近室溫下工作的探索。