19世紀初，德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克(Thomas Johann Seebeck)首次發現熱電效應，即熱量與電力可以相互轉換。經過近一個世紀的理論發展，碲化鉍在1940年代因其優異的低溫熱電性能受到關注，并通過摻雜元素(如銻或硒)進一步提升性能。進入21世紀，碲化鉍已作為高效、環保的熱電材料，廣泛應用于節能與綠色能源技術。

想象一下，假如你有一個奇的魔法盒子，它可以把周圍的熱量變成電力，甚至可以用來給你的手機充電!這聽起來像科幻電影中的科技，但實際上，這個魔法盒子背后有一個非常重要的材料——碲化鉍(Bi2Te3)。

悄然出現的“熱電魔法”

早在19世紀初期，物理學家們就開始發現，熱量和電力之間竟然可以相互轉換。簡單來說，當材料的一端被加熱時，另一端會產生電流，因此熱量會變成電力。這個發現就像是打破了熱量和電流之間的“魔法屏障”，讓科學家們看到了材料神奇的一面。到了1821年，德國杰出的物理學家托馬斯·約翰·塞貝克(Thomas Johann Seebeck)進一步通過實驗揭示了熱電效應的真諦。又過了將近100年的時間，1910年，德國物理學家馬克斯·馮·勞厄(Max von Laue)提出了關于熱電效應的理論模型，這是熱電效應研究中的重要里程碑。馮·勞厄的模型為熱電材料的理論研究奠定了基礎，并揭示了材料中溫差引起的電流與溫差造成的電子遷移之間的關系。盡管這一理論為理解熱電效應提供了重要框架，但它并未針對特定材料的性能做出深刻預測，因此在實際應用方面的指導意義較為有限。

為了彌補這一不足，研究的重點逐漸從理論模型轉向了對具體材料性能的探索。在這一過程中，雖然勞德·凱文(Lord Kelvin)的工作在物理學理論層面深化了對熱電效應的理解，但也并未將特定材料作為研究的核心。當時，熱電效應的基礎理論和熱電材料的性能改善仍然處于發展的起步階段，碲化鉍雖然被視為一種具有潛力的熱電材料，但尚未引起廣泛的重視與研究。因此，這一時期的科研工作，猶如在探尋傳說中的“魔法石”，科學家確信其存在，卻仍在摸索其確切所在。換言之，他們知道熱電效應的應用潛力巨大，但尚未發現能高效利用這一效應的理想材料。

那么，碲化鉍是如何嶄露頭角的呢?事實上，碲化鉍這種材料在最初并沒有引起太多關注。直到1940年代，研究人員才發現，碲化鉍的性能遠超預期，尤其是在低溫下，它能夠非常高效地將熱能轉化為電能，就像是隱藏在冰箱里的神奇電池。20世紀中期，科學家開始嘗試為這位“天才”配上合適的“魔法武器”，即在碲化鉍中加入其他元素，比如銻(Sb)或硒(Se)，這些摻雜的元素大大提升了碲化鉍的熱電性能，使其轉化效率更上一層樓。隨著摻雜技術的不斷發展，碲化鉍逐漸成為熱電領域的明星材料。

神奇的能量轉換材料

物理進入21世紀，碲化鉍這個曾經“默默無聞”的材料，終于憑借其獨特的晶體結構和優異的熱電轉換效率，進入大眾視野。它不僅僅是實驗室里的神奇材料，更成為節能、環保和可再生能源領域中的重要一員，被廣泛應用于熱電發電

和熱電制冷等多個領域，展現了巨大的應用潛力和價值。

熱電發電

現代社會中幾乎所有的設備和機器都會產生“廢熱”。比如，開車時發動機發熱、工業生產中的機器運轉時會產生大量熱量，甚至家里的冰箱和空調也會不斷釋放熱氣。這些熱量如果不能得到有效利用，往往就會被浪費。碲化鉍的出現，讓我們看到了熱能回收的希望。

碲化鉍是一種非常擅長在溫差存在的情況下，將熱能轉化為電能的材料。這一轉換機制正是基于塞貝克效應，即當不同溫度的兩端連接導電材料時，溫差會驅動電子流動，從而產生電壓。

塞貝克效應示意圖

當你在車里，發動機的溫度很高，而車窗外的環境又相對涼爽，碲化鉍就能通過這種溫差，將廢熱轉化為電流，為車上的電子設備提供能源。你能想象到的每一次汽車發熱、每一次機器工作產生的熱量，都可能通過碲化鉍轉化為我們可以使用的電能!這不僅能夠有效減少能源浪費，還能在能源緊張的情況下提高系統的整體效率。在新能源汽車中，碲化鉍就有潛力成為節能的重要組成部分，幫助車主更加高效地利用能源，提升行駛里程。

熱電制冷

碲化鉍具有優異的導電性和較低的熱導率，能夠高效實現熱量轉移，從而達到制冷效果。這一轉換機制正是基于帕爾貼效應，其核心在于通過電流來驅動熱量，使其從材料的一端轉移到另一端。而這一特性使得碲化鉍在小型化、精準化和環保要求高的場景中尤為適用。

帕爾貼效應示意圖

傳統的空調和冰箱通過壓縮機來實現制冷，這種方式不僅能耗高，還會產生噪聲和污染。而碲化鉍制冷技術，則是一種更加安靜、環保的解決方案。當你在使用便攜式冰箱、小型冷卻設備，或者在某些高精密設備中(比如電子元件或激光設備)需要精準控制溫度時，碲化鉍的熱電制冷就能發揮作用。只要在設備兩端加上電流，含碲化鉍的一側就會變冷，另一側則會釋放熱量，就像一臺“無噪聲、無污染”的小型空調。未來，隨著技術的進步，碲化鉍制冷很可能會成為我們日常生活中的標配技術。

可穿戴設備

隨著可穿戴技術的蓬勃發展，碲化鉍作為一種創新材料，正逐漸融入各類新興設備之中，如智能手表、健康監測器及運動手環等。碲化鉍憑借其獨特的熱電轉換能力，能在人體溫度與外界環境的微小溫差間催生電流，為設備供電。未來，這些設備或許將告別傳統充電方式，轉而利用人體自然散發的熱量作為能源。

碲化鉍的應用

據最新研究顯示，通過引入分層增強的設計理念，柔性碲化鉍薄膜的熱電效率可實現顯著提升。這些薄膜在彎曲1000次后仍能保持卓越的性能表現，為柔性熱電發電裝置的應用開辟了新的道路。同時，碲化鉍基塊狀熱電晶體在室溫下展現出的出色塑性，如同金屬一般，使得材料加工更為簡便，易于塑造為可穿戴設備所需的柔性結構。這一技術的革新，不僅讓設備更加環保，還極大降低了對外部充電寶及電池的依賴，有效緩解了用戶的“電量焦慮”。試想，未來的智能手表不僅能夠精準記錄健康數據，還能巧妙地從用戶的體溫中捕獲能量，確保設備時刻處于滿電狀態，真正詮釋了“綠色科技”的核心理念。

節能環保

在全球能源危機與氣候變化加劇的背景下，節能與環保已成為各國政府及科技企業的首要關注點。碲化鉍，這一綠色能源新星，正默默引領著能源利用的新變革。它能有效回收廢熱，提升能源轉換效率，助力減少對化石燃料的依賴，并大幅降低碳排放量。

在工業領域，碲化鉍的應用尤為亮眼。通過將工業設備產生的廢熱轉化為可用能源，它不僅顯著提高了工廠的能源使用效率，還有效減少了熱量的損失，從而降低了溫室氣體排放，為環境保護做出了積極貢獻。這一創新技術不僅體現了資源循環利用的智慧，也展現了科技在應對氣候變化中的關鍵作用。

工業污染

未來，隨著全球對可再生能源需求的不斷增長，碲化鉍的潛力與價值將更加凸顯。它有望成為破解能源難題、推動能源轉型的重要力量，為構建清潔、低碳、可持續的能源體系提供有力支撐。因此，加大對碲化鉍等綠色能源材料的研發與應用，對于應對全球能源挑戰、實現綠色發展具有重要意義。

隨著科技的不斷進步，碲化鉍的應用還在不斷拓展。從廢熱回收到智能穿戴，從熱電制冷到綠色能源，它正在用自己的力量推動著節能環保技術的發展，為我們的生活帶來更多的便利與環保，幫助我們更高效地利用每一份熱量，減少對傳統能源的依賴，為綠色能源注入新的活力，為智能科技提供全新的動力來源，推動社會向更加綠色、環保、高效的生活方式邁進。

參考文獻

[1]Moore M.Max von Laue-Intrepid and True:A Biography of the Physics Nobel Laureate:By Jost Lemmerich,Switzerland.Springer Cham,2022,

[2]Griffiths H.Lord Kelvin and the Kelvin Wake.IEEE Aerosp Electron Syst Mag,2024,39(4):50–51.

[3]Li J,Tan Q,Liu D,et al.BiSbTe-based nanocomposites with high ZT:The effect of SiC nanodispersion on thermoelectric properties.Advanced Functional Materials,2013,23(35):4317-4323.[4]Zhu Y,Sun Y.Mediating point defects endows n-type BiTe with high thermoelectric performance and superior mechanical robustness for power generation application.Small,2022,18(23):2201352.

[5]Xiao Y,Zhao L D.Seeking new,highly effective thermoelectrics.Science,2020,367(6483):1196-1197.

[6]Zhao L D,Tan G.Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe.Science,2016,351(6269):141-144.

[7]Su L,Wang D.High thermoelectric performance realized through manipulating layered phonon-electron Decoupling.Science,2022,375(6587):1385-1389.

[8]Sun W,Liu W D.Advances in thermoelectric devices for localized cooling.Chemical Engineering Journal,2022,450:138389.

[9]Yang Z,He B.Enhancement of thermoelectric cooling by hot-end electroluminescence.Energy Conversion and Management,2022,267:115871.

[10]Deng T,Gao Z.Room-temperature exceptional plasticity in defective Bi2Te3-based bulk thermoelectric crystals.Science,2024,386(6726):1112-1117.

[11]Lu Y.Staggered-layer-boosted flexible Bi2Te3 films with high thermoelectric performance.Nature Nanotechnology,2023,18(11):1281-1288.

(關鍵字：碲化鉍 鉍)