據(jù)統(tǒng)計，目前約90%的能源在使用過程中涉及熱量的產(chǎn)生和操控。從化石燃料發(fā)電，到廢熱回收利用、建筑物供暖，再到動力電池?zé)峁芾怼⑽㈦娮悠骷岬龋茧x不開熱量的產(chǎn)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(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)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，在熱量收集、儲熱、制冷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在熱二極管中，熱流正向?qū)ǎ叵喾捶较騽t受到阻礙，即熱整流效應(yīng)（類似于電子二極管對電流的整流效應(yīng)）。按照熱量傳輸方式（對流、輻射和傳導(dǎo)）的不同，實現(xiàn)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(xiàn)較大的熱整流效應(yīng)，但其裝置難以小型化。將具有相反的熱導(dǎo)率溫度關(guān)系的兩種固態(tài)材料構(gòu)筑成異質(zhì)結(jié)，可獲得傳導(dǎo)熱整流效應(yīng)，同時可以避免上述問題。其中具有非線性熱導(dǎo)率溫度依賴關(guān)系的固態(tài)材料是實現(xiàn)高整流效率的關(guān)鍵。
童鵬研究員團隊在前期研究中發(fā)現(xiàn)了六角硫化物Ni1-xFexS具有奇異熱導(dǎo)率跳變行為，熱導(dǎo)率在相變處變化率高達200%，即該材料的導(dǎo)熱能力在高低溫下存在巨大差異 (Acta Mater., 208, 116709(2021))。在此基礎(chǔ)上，研究人員以10 wt.%Ag粘接的Ni0.85Fe0.15S（簡寫為Ni0.85Fe0.15S）和Al2O3分別作為兩端構(gòu)筑了熱二極管，其具有優(yōu)異的整流性能。當(dāng)熱二極管冷端溫度設(shè)定為250 K時，在溫差為97 K的條件下，最大熱整流系數(shù)γmax可達1.51。在小于100 K的驅(qū)動溫差下，Ni0.85Fe0.15S/Al2O3的γmax值也高于已報道的同類固態(tài)熱二極管。雖然鎳鈦合金基熱二極管的γmax值接近1.5，但其對應(yīng)的驅(qū)動溫差大于150 K，且工作溫區(qū)遠高于室溫，實際應(yīng)用受到限制。通過理論計算系統(tǒng)地闡明了γmax對Ni0.85Fe0.15S/Al2O3長度比、冷端溫度以及Ni0.85Fe0.15S一級相變陡峭程度的依賴關(guān)系，為進一步提高熱整流系數(shù)提供了理論依據(jù)，也為基于固態(tài)相變材料設(shè)計新型熱二極管提供了參考。
此外，研究人員發(fā)現(xiàn)Ni1-xFexS系列材料的相變溫度可以通過改變Fe含量進行調(diào)控，且均具有可逆的熱導(dǎo)率突變，為設(shè)計和構(gòu)建面向不同工作溫區(qū)和應(yīng)用環(huán)境的高性能固態(tài)熱二極管提供了備選材料。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃和中國科學(xué)院合肥大科學(xué)中心高端用戶培育基金項目的資助。
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https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.16.014031。
圖1. 熱二極管示意圖：（a）熱流正向傳導(dǎo)；（b）熱流反向傳導(dǎo)。
圖2. 典型固態(tài)熱二極管的熱整流效應(yīng)對比。
