據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，一個(gè)由瑞士、西班牙和美國科學(xué)家組成的研究小組開發(fā)出一種以量子阱為基礎(chǔ)的熱電能量收集器，可以從環(huán)境中收集熱量轉(zhuǎn)化為電能，在為小型電子設(shè)備供電方面有很大潛力。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《新物理學(xué)雜志》上。
目前，開發(fā)熱電能量收集器的最大挑戰(zhàn)是怎樣造出既高能又高效的系統(tǒng)。科學(xué)家在不斷實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)制造熱電能量收集器的材料，其中之一是量子點(diǎn)，一種具有半導(dǎo)體性質(zhì)的納米晶體。量子點(diǎn)有著清晰的能級(jí)，所以是極佳的能量過濾器，對(duì)熱電設(shè)備來說也是一種重要的性質(zhì)。量子阱是由兩種不同半導(dǎo)體材料相間排列，具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢(shì)阱，其結(jié)構(gòu)和能量過濾機(jī)制都與量子點(diǎn)完全不同。
“我們證明了量子阱可以用作高能高效的能量收集器，”論文合著者、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)物理學(xué)家玻喬恩·索斯曼說，“與以往提出的量子點(diǎn)方案相比，現(xiàn)在的量子阱更容易制造，而且可能在室溫下操作。”
研究人員設(shè)計(jì)的熱電能量收集器，以共振隧道量子阱為基礎(chǔ)，由一個(gè)中心空腔通過量子阱與兩個(gè)儲(chǔ)電池相連而構(gòu)成。中心空腔的溫度保持著比兩個(gè)儲(chǔ)電池更高，量子阱作為過濾器，允許一定能級(jí)的電子通過。總體上，中心空腔和儲(chǔ)電池之間溫差越大，電流和輸出功率也就越大。
據(jù)分析，該量子阱能量收集器在溫差為1K（開氏度）時(shí)，輸出功率約為0.18瓦/平方厘米，幾乎是量子點(diǎn)能量收集器的兩倍。這是因?yàn)榱孔于宓淖杂啥葮O高，所以比量子點(diǎn)能傳輸更大的電流。但在能量收集效率上，量子阱卻不及量子點(diǎn)。研究人員解釋說，這是因?yàn)槎邔?duì)能量的過濾不同：量子阱能傳遞能量高于一定能級(jí)的任何電子，而量子點(diǎn)選擇性更高，只能讓某一特殊能級(jí)的電子通過，所以量子阱的能量過濾效率更低些。
但在應(yīng)用方面，量子阱能量收集器卻有著廣闊的前景。首先，用量子阱制造能量收集器比用量子點(diǎn)更容易；其次，量子點(diǎn)要屬性一致才能良好發(fā)揮作用，量子阱卻不必如此；此外，量子阱還能在室溫下操作，因而用途更廣。索斯曼說：“比如，可以用這種能量收集器把計(jì)算機(jī)芯片電路中產(chǎn)生的廢熱收集起來，再轉(zhuǎn)化成電能，這樣既能節(jié)約用電，又能降低芯片制冷能耗。”