據(jù)統(tǒng)計，目前約90%的能源在使用過程中涉及熱量的產生和操控。從化石燃料發(fā)電，到廢熱回收利用、建筑物供暖，再到動力電池熱管理、微電子器件散熱等，都離不開熱量的產生與傳輸。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、制冷等領域具有廣闊的應用前景。在熱二極管中，熱流正向導通，而沿相反方向則受到阻礙，即熱整流效應（類似于電子二極管對電流的整流效應）。按照熱量傳輸方式（對流、輻射和傳導）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，但其裝置難以小型化。將具有相反的熱導率溫度關系的兩種固態(tài)材料構筑成異質結，可獲得傳導熱整流效應，同時可以避免上述問題。其中具有非線性熱導率溫度依賴關系的固態(tài)材料是實現(xiàn)高整流效率的關鍵。
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具有奇異熱導率跳變行為，熱導率在相變處變化率高達200%，即該材料的導熱能力在高低溫下存在巨大差異 (Acta Mater., 208, 116709(2021))。在此基礎上，研究人員以10 wt.%Ag粘接的Ni0.85Fe0.15S（簡寫為Ni0.85Fe0.15S）和Al2O3分別作為兩端構筑了熱二極管，其具有優(yōu)異的整流性能。當熱二極管冷端溫度設定為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，但其對應的驅動溫差大于150 K，且工作溫區(qū)遠高于室溫，實際應用受到限制。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含量進行調控，且均具有可逆的熱導率突變，為設計和構建面向不同工作溫區(qū)和應用環(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基金、中國科學院前沿科學重點研究計劃和中國科學院合肥大科學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；（b）熱流反向傳導。
圖2. 典型固態(tài)熱二極管的熱整流效應對比。
