“灯塔”基地,能源小组实验室内的气氛,已然与之前的压抑沉闷判若两地。那个关于“应力场调控微纳热电材料性能”的偶然发现,如同在黑暗的矿井中凿开了一条闪烁着微光的缝隙,将所有研究人员的好奇心与探索欲都吸引了过去。
陈帆博士果断地将大部分资源倾斜到这个新方向上。他们不再盲目地尝试各种材料的本征优化,而是开始系统性地设计实验,探究机械应力与热电性能之间的内在联系。
他们定制了精密的微纳压痕和弯曲测试装置,可以精确控制施加在薄膜样品上的力的大小、方向和方式。材料制备团队则根据理论推测,开始尝试制备具有特殊微观结构的薄膜,例如多层异质结、纳米多孔结构、甚至引入可控的晶格缺陷,旨在增强材料对外部应力响应的敏感度和有效性。
这是一场在原子和分子尺度上的“雕刻”与“对话”。失败依然是主旋律,许多精心设计的结构在应力下直接破裂,或者性能不升反降。但伴随着失败,零星的成功案例开始如同夜空中稀疏却明亮的星辰,指引着方向。
经过数以百计的样品制备和测试,他们逐渐摸到了一些规律:某种特定取向的碲化铋纳米线阵列,在受到垂直于轴向的微小压应力时,其载流子迁移率会显着提升,而声子散射(导致热导率的主要因素)也会因应力引起的晶格畸变而增强,最终使得热电优值(Zt值)在特定应力区间内,出现了稳定且可观的提升!
另一个小组则发现,一种采用特殊共溅射工艺制备的bi-Sb-te三元复合薄膜,在面内张应力的作用下,其能带结构会发生微小变化,更有利于“热流”驱动“电流”的产生,泽贝克系数得以提高。
“我们可能……发现了一个宝藏!”陈帆看着汇总来的数据,声音因激动而微微颤抖。这些发现虽然还停留在实验室样品阶段,重复性和稳定性也需要进一步验证,但其揭示的物理机制和展现的性能提升潜力,是毋庸置疑的!
他们立刻将这些初步成果,与微纳加工团队协同,开始尝试设计第一款“应力辅助微型热电转换器”的原型。这是一个极其精巧的结构,旨在将节点内部芯片产生的废热,或者节点外壳与内部之间的微小温差,通过一种巧妙设计的悬臂梁或薄膜结构,转化为有益的机械应力,施加在那些对应力敏感的高性能热电材料上,从而高效地将废热回收为电能。
李卫国在听取了陈帆的详细汇报后,也大为振奋,他立刻调动了基地内最好的微机电系统(mEmS)加工资源予以支持。
“这不仅仅是为‘织网’节点解决能源问题,”李卫国目光炯炯,“如果这条路能走通,这意味着我们找到了一种全新的、提升热电材料性能的普适性方法!其意义可能远超我们这个项目本身!”
无数个日夜的奋战,无数次的设计、流片、测试、修改。当第一个只有指甲盖大小、集成了热电材料和微型应力发生结构的原型器件,在模拟测试平台上,成功利用一个仅有摄氏五度的温差,稳定输出足以点亮一个微型LEd(耗电约数十微瓦)的电能时,整个能源小组实验室爆发出了一阵压抑不住的欢呼!
虽然输出功率依然微小,距离满足“织网”节点的全部需求还有巨大的差距,但这证明了“应力场辅助”这条技术路径的可行性!他们成功地制造出了“内源之芯”的雏形——一个能够从自身环境中(哪怕是极其微小的温差和废热)汲取能量的小小“永动机”模型!
希望的火焰,终于从星星之火,开始汇聚成足以照亮前路的火炬。陈帆和他的团队知道,他们正站在一个全新领域的大门之前,门后的世界,充满了挑战,也充满了无限可能。