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Aleaciones Desequilibradas Un Buen Emparejamiento para el Revelado Futuro de los Dispositivos Termoeléctricos del Alto Rendimiento

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

Empleando algunos de los superordenadores más potentes del mundo, los científicos en el Laboratorio Nacional de Lorenzo Berkeley han mostrado que las aleaciones desequilibradas son un buen emparejamiento para el revelado futuro de los dispositivos termoeléctricos del alto rendimiento. Potencial enorme del asimiento de Thermoelectrics para la producción energética verde debido a su capacidad al calor de convertido en electricidad.

El Contorno traza el mostrar que la densidad electrónica de estados en HMAs creó del selénido del cinc por la adición (a) de los átomos de oxígeno del 3,125 por ciento, y (b) del 6,25 por ciento de oxígeno. Los átomos del cinc y del selenio se muestran en azul claro y anaranjado. Los átomos de Oxígeno (azul marino) son rodeados por altas regiones electrónicas de la densidad. (Imagen proporcionada por Junqiao Wu)

Cómputos realizados en “Franklin,” un sistema del procesamiento en paralelo de Cray XT4 masivo gestionado por el Centro De Cómputo Científico Nacional de la Investigación En Materias Energéticas (NERSC), mostrado que la introducción de impurezas del oxígeno en una clase única de los semiconductores conocidos como aleaciones altamente desequilibradas (HMAs) puede aumentar substancialmente el funcionamiento termoeléctrico de estos materiales sin la degradación habitual en conductividad eléctrica.

“Estamos prediciendo un rango de los materiales baratos, abundantes, no tóxicos en los cuales la estructura de banda se puede sintonizar extensamente para la eficiencia termoeléctrica máxima,” decimos a Junqiao Wu, físico con la División de las Ciencias Materiales del Laboratorio de Berkeley y profesor con el Departamento de Uc Berkeley de la Ciencia Material y de la Ingeniería que llevó esta investigación.

“Específicamente, lo tenemos mostrado que el hibridación de las funciones de onda electrónicas de los componentes de la aleación en HMAs permite aumentar el thermopower sin mucha reducción de la conductividad eléctrica, que no es la caja para los materiales termoeléctricos convencionales,” decimos.

Colaboraban con Wu en este trabajo ahora Joo-Hyoung Lee y Jeffrey Grossman, ambos en Massachusetts Institute of Technology. Las personas publicaron un documento sobre estos resultados en las Cartas Físicas de la Revista tituladas, “Aumentando el Factor de Potencia Termoeléctrico con el Doping Isoelectrónico Altamente Desequilibrado.”

Efecto de Seebeck y Energía Verde

En 1821, el físico Alemán-Estonio Thomas Juan Seebeck observó que una diferencia de la temperatura entre dos extremos de una barra de metal creó una corriente eléctrica mientras tanto, con el voltaje siendo directamente proporcional a la diferencia de la temperatura. Este fenómeno se sabía como el efecto termoeléctrico y él de Seebeck mantiene la gran promesa para capturar y convertir en electricidad algunas de las granes cantidades de calor ahora que son perdidas en la producción accionada por turbina de corriente eléctrica. Para Que este calor perdido sea reclamado, sin embargo, la eficiencia termoeléctrica debe ser mejorada importante.

Los “Buenos materiales termoeléctricos deben tener alto thermopower, alta conductividad eléctrica, y conductividad térmica inferior,” dice a Wu. El “Aumento en funcionamiento termoeléctrico puede ser logrado reduciendo conductividad térmica con nanostructuring. Sin Embargo, el funcionamiento cada vez mayor aumentando el thermopower ha probado difícil porque un aumento en thermopower ha venido típicamente al precio de una disminución de la conductividad eléctrica.”

Para conseguir alrededor de este enigma, Wu y sus colegas giraron a HMAs, una nueva clase inusual de los materiales cuyo revelado ha sido llevado por otro físico con la División de las Ciencias Materiales del Laboratorio de Berkeley, Wladyslaw Walukiewicz. HMAs se forma de las aleaciones que se desequilibran altamente en términos de electronegativity, que es una medición de su capacidad de atraer electrones. El repuesto parcial de aniones con los iones isoelectrónicos altamente electronegativos permite fabricar a HMAs cuyas propiedades se puedan alterar dramáticamente con solamente una pequeña cantidad de doping. Los Aniones están negativo - los átomos cargados y los iones isoelectrónicos son diversos elementos que tienen configuraciones electrónicas idénticas.

“En HMAs, el hibridación entre los estados extendidos del componente de la mayoría y los estados localizados de los resultados componentes de la minoría en una reestructuración fuerte de la banda, llevando a los picos en la densidad electrónica de estados y a las nuevas bandas sub en la estructura de banda original,” Wu dice. “Debido a los estados extendidos cruzados por hibridación en estas bandas sub, la alta conductividad eléctrica se mantiene en gran parte a pesar de dispersar de la aleación.”

En su trabajo teórico, Wu y sus colegas descubrieron que este tipo de ingeniería de la estructura electrónica puede ser grandemente beneficioso para la termoelectricidad. Trabajando con el selénido del cinc del semiconductor, simularon la introducción de dos concentraciones diluídas de átomos de oxígeno (el 3,125 y 6,25 por ciento respectivamente) para crear HMAs modelo. En ambos casos, las impurezas del oxígeno fueron mostradas para inducir picos en la densidad electrónica de estados encima de la condición atmosférica mínima de la banda de conducción. También fue mostrado que las densidades de carga cerca de la densidad de los picos del estado fueron atraídas substancialmente hacia los átomos de oxígeno altamente electronegativos.

Wu y sus colegas encontraron que para cada uno de los decorados de la simulación, los picos impureza-inducidos en la densidad electrónica de estados dieron lugar a un “claro aumento” del thermopower y la conductividad eléctrica comparó al selénido libre de oxígeno del cinc. Los aumentos estaban por factores de 30 y 180 respectivamente.

“Además, este efecto se encuentra para estar ausente cuando el electronegativity de la impureza corresponde con el ordenador principal que substituye,” Wu dice. “Estos resultados sugieren que las aleaciones altamente electronegativity-desequilibradas se puedan diseñar para las aplicaciones termoeléctricas del alto rendimiento.”

Wu y su grupo de investigación ahora están trabajando para sintetizar real HMAs para la prueba física en el laboratorio. Además de capturar la energía que ahora se está perdiendo, Wu cree que el thermoelectrics HMA-basado se puede también utilizar para el enfriamiento de estado sólido, en el cual un dispositivo termoeléctrico se utiliza para enfriar otros dispositivos o materiales.

Los “enfriadores Termoeléctricos tienen ventajas sobre tecnología convencional de la refrigeración en que no tienen ninguna pieza móvil, necesitan poco mantenimiento, y trabajo en una escala espacial mucho más pequeña,” Wu dice.

Este proyecto fue utilizado bajo Programa Controlado en laboratorio de la Investigación y desarrollo del Laboratorio de Berkeley.

Last Update: 13. January 2012 05:58

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