兼容芯片制程！空心硅纳米管热导率大降70%

每当用户向ChatGPT提问时，数据中心机房内的服务器都会产生热量；电动汽车电池运行过程中持续发热，需要不间断控温；各类制造工序也会产生大量废热，其中绝大部分直接排放到空气中。倘若能将这些废热重新转化为电能，会带来怎样的改变？

近期，韩国一支研究团队让这一设想离落地更近一步。浦项工科大学电气工程系、融合信息技术工程系白昌基（Chang-Ki Baek）教授带领的研究团队，联合融合信息技术工程系博士生金基永（KiYeong Kim），探明了一种全新作用机理：借助空心硅纳米管结构，能够突破热电转换器件的效率瓶颈，实现废热发电。

相关研究成果刊发于Nano Energy期刊，论文标题为《Thermal conductivity reduction in silicon nanotubes through phonon localization》（通过声子局域化降低硅纳米管热导率）。

上图为硅纳米管结构；下图为用于测试纳米结构传热特性的实验模板。

热电器件仅依靠温差即可发电，应用场景十分广泛：既能回收工厂工业废热、给电池散热，还可制成核电池为深空探测器供能。随着人工智能技术持续发展，数据中心热管理成为全球性难题，热电转换技术的重要性空前凸显。

但该技术发展受限于材料瓶颈。主流热电材料大多依赖铋（Bi）、碲（Te）等稀有金属。这类元素储量稀少，供应链极易波动，一旦全球局势动荡，其价格与供货稳定性都会受到冲击。反观硅，在地壳中储量丰富，且能完美适配现有半导体制造工艺。然而硅基热电器件至今未能商业化，核心痛点在于转换效率过低。

想要提升热电器件效率，必须同时满足两项条件：最大限度抑制热传导，同时保证导电性能不受损耗。但材料微缩后，热导率下降的同时电导率往往同步走低，就像一道屏障会同时阻隔气流与声响，两种性能很难分开调控。

该研究团队采用空心结构攻克了这一难题：传统纳米线是实心柱状，而纳米管内部中空，形似微型管道。对比测试显示，纳米管的热导率比实心纳米线低约70%。

研究团队还控制两种结构拥有相同表面积占比，本应得到相近导热表现，但纳米管热导率依旧低33%。该结果证明，空心结构本身存在额外抑制热量传递的作用机制。

团队将该现象的根源归结为声子局域化。声子是描述固体内部传热振动的粒子化概念；声子局域化指传热振动被束缚在局部区域，无法贯穿整个材料结构，如同海浪被防波堤困住、无法向前扩散。

以往学界认为，声子局域化仅能在极低温环境或特殊复杂结构中产生，而本次研究首次证实：在接近室温的常规条件下，结构相对简单的纳米管也能实现该效应。

若本次发现的机理落地实用，可通过废热发电大幅提升能源利用效率。该工艺依托成熟半导体产线即可实现，无需稀有金属，具备规模化工业化前景。

浦项工科大学白昌基教授总结道：“这项技术与本土半导体制造工艺高度兼容，无需依赖稀有原材料，有望助力我们主导下一代热管理市场。”