热电材料和技术驱动航天器已经有几十年。但是，由于提高效率的一个发现，埃姆斯实验室（Ames Laboratory）的热电材料可能有新的更广泛的“绿色”能源应用。来源：美国能源部埃姆斯实验室。
汽车，军用车辆，甚至大规模的发电设施有朝一日都有可能更有效地运作，这是由于可采用一种新的合金，是美国能源部艾姆斯实验室（Ames Laboratory）开发的。实验室的一组研究人员得到了联合资助，这些资助来自美国能源部基础能源科学办公室（Office of Basic Energy Sciences），材料科学与工程部（Division of Materials Sciences and Engineering）以及国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency），这项工作实现了25%的性能改善，是用一种关键材料把热转换为电能。
“这里发生的事，没有发生在其他任何地方，”艾乌杰尼·莱文（Evgenii Levin）说，他是艾姆斯实验室副研究员，也是这项工作的联合首席调查员，他谈到了这一效率的显着提高，是研究中备案的内容。和莱文一起的，还有埃姆斯实验室的团队。
所谓热电材料就是把热量转化成电能，19世纪初以来就知道了。有一组行之有效的热电材料，组成成分是碲（tellurium），锑（antimony），锗（germanium），银，因而就被称为首字母缩写“碲锑锗银”（ TAGS）。热电性能是基于运动的载荷子（charge carriers），从它们受热一端流向较冷的一端，就像电子沿着导线运动。
这个过程被称为塞贝克效应（Seebeck effect），发现于1821年，发现者是托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck），这个物理学家就居住在现在的爱沙尼亚。一个相关的现象也被观察到，存在于所有热电材料中，被称为珀尔帖效应（Peltier effect），这一命名是根据法国物理学家让-查尔斯·珀尔帖（Jean-Charles Peltier），他做出这一发现是在1834年。珀耳帖效应可用于固态加热或冷却，不需要移动部件。
自塞贝克效应和帕尔帖发现后近两个世纪，实际应用受到了限制，原因是低效率，这种材料进行任何转换都是这样。重大的工作提高了这一效率，这发生在20世纪50年代，当时，热电转换被当作一个理想的动力源，用于深空探测，队员库克解释说。“热电转换已成功用于驱动旅行者号（Voyager），先锋号，伽利略号，卡西尼号和海盗号航天器，”他说。
尽管被美国航天局使用，低效率的热电转换仍然使它不能用于更实际的应用，只是世界各地在持续进行积极研究。“偶尔，你会听到效率大幅增加，”莱文解释说。但这些声明都没有经过严密的检验。
所有这一切都改变了，那是在2010年，埃姆斯实验室的研究人员发现，仅仅是增加1%的稀土元素铈（cerium）或镱（ytterbium），增加到“碲锑锗银”材料中，就足以提升性能。
该小组的工作成果见于文章：《分析铈镱掺合碲锑锗银85材料提升热电优值》刊登于在线杂志《先进功能材料》。
该团队尚未准确理解，为什么这么小的物质结构改变能够根本影响其属性。然而，他们推论说，掺合碲锑锗银材料时采用两种稀土元素中的任何一种，都可能影响几种机制，提升热电性能。
团队成员施密特·罗尔（Schmidt-Rohr）研究这种材料，使用了艾姆斯实验室的固态核磁共振光谱仪器（solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy instruments）。这使研究人员能够确认，1%的镱铈掺杂可以影响热电材料的结构。为了理解这些稀土的磁效应，团队成员布德蔻（Bud'ko）研究了材料的磁性能。“稀土元素改进了晶格，”莱文说，他指的是热电材料的晶体结构。
研究团体计划测试这种材料，以便更好地了解为什么会发生这些显着的变化，并希望进一步提高性能。
这种耐用而且比较容易制作的材料有无限的应用，包括回收利用工业炼油厂的余热，或利用汽车废热给电动汽车电池充电。“这是一个非常惊人的领域，”莱文说，特别是多年研究碲锑锗银材料，使研究人员能够了解其性质。更好地理解热电和性能改善，可以很快形成应用，比现在规模更大。
此外，艾姆斯实验室的成果是依赖于掺杂碲锑锗银和少量铈或镱，更证明了的稀土元素的战略重要性。铈或镱是15个镧系元素（lanthanides）组的成员，被视为是必不可少的，几乎用于每一种新技术，包括所有消费电子产品、手机、混合动力汽车电池和风力涡轮发电机马达。艾姆斯实验室一直领先于稀土研究，这要回溯到二战结束的时候。因担心稀土元素短缺，就使这些鲜为人知的材料成为广泛谈论的话题，在最近的新闻中就是这样。
