生长在硅上的热电钴酸盐

由所谓的热电材料制成的薄膜可用于将热量直接转化为电能，或反过来，用于各种应用，包括基于微芯片的化学和生物传感器，以及更有效地冷却计算机芯片的方法。热电还有望用于清洁能源发电，因为它们将热量转化为电能，而不会产生二氧化碳或其他排放物。

到目前为止，这些应用的发展受到传统热电材料的某些特性和缺乏经济上可行的制造工艺的限制。但是美国能源部的科学家们布鲁克海文国家实验室展示了在普通硅片上生长具有优异性能的高质量热电薄膜的可行性，这一成就为利用现有的硅制造技术创造许多新的有用器件提供了希望。该杂志最近在网上发表了一篇关于这项研究的论文应用物理快报。

“能够在硅衬底上生长这种材料意味着使用传统的硅技术制造设备是可行的，而不必为热电设备设计一个全新的制造系统。这使得将热电材料用于实际应用的想法比以前更加经济可行，”布鲁克海文材料科学家、论文作者李强说。

布鲁克海文团队生产的薄膜热电材料Ca3Co4O9，来自最近发现具有高热电功率的层状钴酸盐家族。大多数传统的热电材料在中等温度下熔化或分解，容易被氧化破坏，并且通常含有有害或稀有元素，与之不同的是，钴酸盐具有高熔点和优异的化学稳定性。

科学家们使用脉冲激光沉积法在商用硅片上生长钴酸盐薄膜，而不需要对衬底或缓冲层进行任何化学预处理。高质量薄膜表现出优异的热电性能。

“此外，”李说，“我们发现Ca3Co4O9薄膜的近乎完美的晶体结构可以在非晶氧化硅层的顶部形成，这在晶体薄膜生长过程中很少发生。这种令人惊讶和有趣的现象，加上钴酸盐的自组装性质，为基础研究开辟了一个诱人的领域。”

除了对用于清洁能源转换的热电材料的科学和技术有巨大的潜在影响——长期以来被视为最理想的能源形式之一，因为它是环保的——这些材料还可以产生重要的电子应用。

例如，李说:“我们可以研究在热电控制的小硅片上‘涂上’各种材料的化学反应。这种所谓的芯片热化学可以自动化，通过快速冷却和加热来控制化学反应过程，或者识别化学武器中使用的某些物质。”

同样，科学家们可以研究DNA的生物行为，并通过调节DNA微阵列(一种被称为生物热电芯片的设备)上的局部温度变化来操纵蛋白质。

其他可能的直接应用是使用热电装置主动冷却微电子处理器，为深空探测器制造微型电源包，或者精确控制光纤通信中使用的激光的温度。

李说:“这些设备没有活动部件，通常非常可靠，可以取代用于冷却计算机中央处理器的嘈杂风扇。”