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Schlecht Zusammengestellte Legierungen ein Gut Paar für Zukünftige Entwicklung von Hochleistungs-Thermoelektrischen Einheiten

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

Einige der leistungsfähigsten Supercomputer der Welt Einsetzend, haben Wissenschaftler an Nationalem Laboratorium Lawrence Berkeley gezeigt, dass schlecht zusammengestellte Legierungen ein gutes Paar für die zukünftige Entwicklung von thermoelektrischen Einheiten der Hochleistung sind. Enormes Potenzial Thermoelectrics-Griffs für grüne Energieerzeugung wegen ihrer Fähigkeit zur Bekehrten Wärme in Strom.

Kontur stellt grafisch dar darzustellen, dass elektronische Dichte von Zuständen in HMAs vom Zinkselenid durch die Einführung (a) von 3,125-Prozent-Sauerstoffatomen und (b) von 6,25 Prozent Sauerstoff erstellte. Die Zink- und Selenatome werden in hellblauem und in Orange gezeigt. Die Sauerstoffatome (dunkelblau) werden durch hohe elektronische Dichteregionen umgeben. (Bild zur Verfügung gestellt von Junqiao Wu)

Übertragen Auf Lochkarten enorm durchgeführt an „Franklin,“ eine Parallelverarbeitungsanlage Cray XT4 bedient durch das Nationale Energieforschungs-Wissenschaftliche Rechenzentrum (NERSC), gezeigt, dass die Einleitung von Sauerstoffverunreinigungen in eine eindeutige Klasse Halbleiter, die als in hohem Grade schlecht zusammengestellte Legierungen bekannt sind, (HMAs) die thermoelektrische Leistung dieser Materialien ohne den üblichen Abbau in der elektrischen Leitfähigkeit im Wesentlichen erhöhen kann.

„Wir sagen eine Reichweite der billigen, reichlichen, ungiftigen Materialien, in denen die Bandzelle für maximale thermoelektrische Leistungsfähigkeit breit justiert werden kann,“ sagen Junqiao Wu, ein Physiker mit die Material-Wissenschafts-Abteilung Berkeley-Labors und einen Professor mit Uc Berkeley Abteilung der Material-Wissenschaft und der Technik voraus, die diese Forschung führte.

„Speziell, haben wir dargestellt, dass die Hybridation von elektronischen Wellenfunktionen von Legierungsbestandteilen in HMAs es möglich, thermopower ohne viel Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit zu erhöhen macht, die nicht der Kasten für herkömmliche thermoelektrische Materialien ist,“ ihn sagen.

Mit Wu auf dieser Arbeit Arbeiteten Joo-Hyoung Lee und Jeffrey Grossman, beide jetzt bei Massachusetts Institute of Technology zusammen. Das Team veröffentlichte ein Papier auf diesen Ergebnissen in den Körperlichen Zusammenfassungs-Schreiben, die betitelt wurden, „den Thermoelektrischen Leistungs-Faktor mit der In Hohem Grade Schlecht Zusammengestellten Isoelektronischen Lackierung Erhöhend.“

Seebeck-Effekt und Grüne Energie

Im Jahre 1821 beobachtete der Deutsch-Estnische Physiker Thomas Johann Seebeck, dass eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Enden einer Metallgericht einen elektrischen Strom in-between erstellte, wenn die Spannung direkt proportional ist, zur Temperaturdifferenz. Dieses Phänomen wurde bekannt, wie der Seebeck thermoelektrische Effekt und es großes Versprechen für das Erfassen und das Konvertieren in Strom einige der beträchtlichen Wärmemenge anhalten, die jetzt in der turbinengetriebenen Produktion der elektrischer Leistung verloren sind. Damit diese verlorene Wärme zurückgefordert werden kann jedoch thermoelektrische Leistungsfähigkeit muss beträchtlich verbessert werden.

„Gute thermoelektrische Materialien sollten hohes thermopower, hohe elektrische Leitfähigkeit haben, und niedrige Wärmeleitfähigkeit,“ sagt Wu. „Verbesserung in der thermoelektrischen Leistung kann erzielt werden, indem man Wärmeleitfähigkeit durch das Nanostructuring verringert. Jedoch hat zunehmende Leistung, indem sie thermopower erhöhte, schwieriges geprüft, weil eine Zunahme des thermopower ist gewöhnlich gekommen auf Kosten einer Abnahme an der elektrischen Leitfähigkeit.“

Um um diese Vexierfrage zu erhalten, wendeten sich Wu und seine Kollegen an HMAs, eine ungewöhnliche neue Klasse Materialien deren Entwicklung von einem anderen Physiker mit die Material-Wissenschafts-Abteilung Berkeley-Labors geführt worden ist, Wladyslaw Walukiewicz. HMAs werden von den Legierungen gebildet, die in hohem Grade im Hinblick auf Electronegativity schlecht zusammengestellt werden, der ein Maß ihrer Fähigkeit, Elektronen anzuziehen ist. Der teilweise Austausch von Anionen mit in hohem Grade elektronegativen isoelektronischen Ionen macht es möglich, HMAs zu fabrizieren, dessen Eigenschaften mit nur einer kleinen Menge Lackierung drastisch geändert werden können. Anionen sind negativ - belastete Atome und isoelektronische Ionen sind verschiedene Elemente, die identische elektronische Konfigurationen haben.

„In HMAs, die Hybridation zwischen erweiterten Zuständen des Mehrheitsbauteils und den lokalisierten Zuständen der Minderheitsteilergebnisse in einer starken Bandumstrukturierung, führend zu Spitzen in der elektronischen Dichte von Zuständen und neue Vorbänder in der ursprünglichen Bandzelle,“ sagt Wu. „Wegen der erweiterten Zustände, die in diese Vorbänder hybridisiert werden, trotz des Legierungszerstreuens wird hohe elektrische Leitfähigkeit aufrechterhalten in großem Maße.“

In ihrer theoretischen Arbeit entdeckten Wu und seine Kollegen, dass dieses Baumuster der Technik der elektronischen Zelle für Thermoelectricity nützlich groß sein kann. Arbeitend mit dem Halbleiterzinkselenid, simulierten sie die Einleitung von zwei verdünnten Konzentrationen von Sauerstoffatomen (3,125 und 6,25 Prozent beziehungsweise) um vorbildliches HMAs zu erstellen. In beiden Fällen wurden die Sauerstoffverunreinigungen gezeigt, um Spitzen in der elektronischen Dichte von Zuständen über dem Leitungsbandminimum zu verursachen. Es wurde auch gezeigt, dass Ladungsdichten nahe der Dichte von Zustandsspitzen im Wesentlichen in Richtung zu den in hohem Grade elektronegativen Sauerstoffatomen angezogen wurden.

Wu und seine Kollegen fanden, dass für jedes der Simulationsszenario, die Verunreinigung-induzierten Spitzen in der elektronischen Dichte von Zuständen eine „steile Zunahme“ von thermopower ergaben und elektrische Leitfähigkeit mit sauerstofffreiem Zinkselenid verglich. Die Zunahmen waren durch Faktoren von 30 und von 180 beziehungsweise.

„Außerdem, wird dieser Effekt gefunden, um abwesend zu sein, wenn der Verunreinigung Electronegativity den Hauptrechner, den es ersetzt,“ Wu sagt übereinstimmt. „Diese Ergebnisse schlagen vor, dass in hohem Grade electronegativity-schlecht zusammengestellte Legierungen für thermoelektrische Anwendungen der Hochleistung bestimmt sein können.“

Wu und seine Forschungsgruppe arbeiten jetzt, um HMAs für körperliche Prüfung im Labor wirklich zu synthetisieren. Zusätzlich zum Erfassen von Energie, die jetzt vergeudet wird, glaubt Wu, dass HMA-basiertes thermoelectrics für das Festkörperabkühlen auch verwendet werden kann, in dem eine thermoelektrische Einheit verwendet wird, um andere Einheiten oder Materialien abzukühlen.

„Thermoelektrische Kühler haben Vorteile über herkömmlicher Kältetechnik dadurch, dass sie keine beweglichen Teile haben, benötigen wenig Pflege, und Arbeit an einer viel kleineren räumlichen Schuppe,“ sagt Wu.

Dieses Projekt wurde im Rahmen Verwiesenen Programms die Forschung und Entwicklung Berkeley-Labors Labor unterstützt.

Last Update: 13. January 2012 07:43

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