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Alliages Mauvais Une Bonne Adéquation pour le Développement Futur des Dispositifs Thermoélectriques de Haute Performance

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

Employant certains des superordinateurs les plus puissants du monde, les scientifiques au Laboratoire National de Lawrence Berkeley ont prouvé que les alliages mauvais sont une bonne adéquation pour le développement futur des dispositifs thermoélectriques de haute performance. Potentiel de prise de Thermoelectrics énorme pour la production d'énergie verte à cause de leur capacité à la chaleur de converti dans l'électricité.

La Forme trace afficher que la densité électronique des conditions dans HMAs a produit du séléniure de zinc par l'ajout (a) des atomes d'oxygène de 3,125 pour cent, et (b) de 6,25 pour cent d'oxygène. Les atomes de zinc et de sélénium sont affichés dans bleu-clair et orange. Des atomes d'Oxygène (bleu-foncé) sont entourés par des régions électroniques élevées de densité. (Image fournie par Junqiao Wu)

Calculs exécutés sur « Franklin, » un système de traitement en simultanéité de Cray XT4 massivement actionné par le Centre Calculant Scientifique National De Recherche En Matière D'énergie (NERSC), prouvé que l'introduction des impuretés de l'oxygène dans une seule classe des semi-conducteurs connus sous le nom d'alliages fortement mauvais (HMAs) peut considérablement augmenter la performance thermoélectrique de ces matériaux sans dégradation habituelle dans la conductivité électrique.

« Nous prévoyons un domaine des matériaux peu coûteux, abondants, non-toxiques en lesquels la structure de bande peut être largement ajustée pour l'efficience thermoélectrique maximale, » dit Junqiao Wu, un physicien avec la Division de Sciences Des Matériaux Du Laboratoire de Berkeley et un professeur avec le Service d'Uc Berkeley du Scientifique et Technique de Matériaux qui a abouti cette recherche.

« Particulièrement, nous l'avons affiché que l'hybridation des fonctions d'onde électroniques des constituants d'alliage dans HMAs permet pour augmenter le thermopower sans beaucoup de réduction de conductivité électrique, qui n'est pas la caisse pour les matériaux thermoélectriques conventionnels, » dit.

Collaboraient avec Wu sur ce travail Joo-Hyoung Lee et Jeffrey Grossman, les deux maintenant chez Massachusetts Institute of Technology. L'équipe a publié un document sur ces résultats dans les Lettres Matérielles de Révision intitulées, « Augmentant le Facteur de Puissance Thermoélectrique avec le Dopage Isoélectronique Fortement Mauvais. »

Effet de Seebeck et Énergie Verte

En 1821, le physicien Allemand-Estonien Thomas Johann Seebeck a observé qu'une différence de la température entre deux extrémités d'une barre en métal a produit un courant électrique dans l'intervalle, avec la tension étant directement proportionnelle à la différence de la température. Ce phénomène est devenu notoire comme l'effet thermoélectrique et lui de Seebeck retient la promesse grande pour capturer et convertir en électricité certaines des immenses quantités de la chaleur maintenant étant détruites dans la production motivée par la turbine du courant électrique. Pour Que cette chaleur perdue soit récupérée, cependant, l'efficience thermoélectrique doit être sensiblement améliorée.

Les « Bons matériaux thermoélectriques devraient avoir le thermopower élevé, conductivité électrique élevée, et conduction thermique faible, » dit Wu. La « Amélioration dans la performance thermoélectrique peut être réalisée en réduisant la conduction thermique par nanostructuring. Cependant, la performance croissante en augmentant le thermopower a difficile prouvé parce qu'une augmentation de thermopower est type venue au prix d'une diminution de la conductivité électrique. »

Pour venir à bout cette énigme, Wu et ses collègues se sont tournés vers HMAs, une classe neuve inhabituelle des matériaux dont le développement a été abouti par un autre physicien avec la Division de Sciences Des Matériaux Du Laboratoire de Berkeley, Wladyslaw Walukiewicz. HMAs sont formés des alliages qui sont hautement mal accouplés en termes d'electronegativity, qui est une mesure de leur capacité d'attirer des électrons. Le remontage partiel des anions avec les ions isoélectroniques hautement électronégatifs permet pour fabriquer HMAs dont les propriétés peuvent être excessivement modifiées avec seulement un peu de dopage. Les Anions sont négativement - les atomes chargés et les ions isoélectroniques sont de différents éléments qui ont des configurations électroniques identiques.

« Dans HMAs, l'hybridation entre les conditions étendues du composant de majorité et les conditions localisées des résultats constitutifs de minorité dans une restructuration intense de bande, menant aux crêtes dans la densité électronique des conditions et aux sous bandes neuves dans la structure de bande initiale, » Wu dit. « Dû aux conditions étendues hybridées dans ces sous bandes, la conductivité électrique élevée est en grande partie mise à jour malgré la dispersion d'alliage. »

Dans leur travail théorique, Wu et ses collègues ont découvert que ce type de bureau d'études de structure électronique peut être grand avantageux pour la thermoélectricité. Fonctionnant avec du séléniure de zinc de semi-conducteur, ils ont simulé l'introduction de deux concentrations diluées des atomes d'oxygène (3,125 et 6,25 pour cent respectivement) pour produire HMAs modèle. Dans les deux cas, les impuretés de l'oxygène ont été affichées pour induire des crêtes dans la densité électronique des conditions au-dessus du minimum de bande de conduction. On lui a également affiché que des densités de charge près de la densité des crêtes de condition ont été considérablement attirées vers les atomes d'oxygène hautement électronégatifs.

Wu et ses collègues ont constaté que pour chacun des scénarios de simulation, les crêtes impureté-induites dans la densité électronique des conditions ont eu comme conséquence « une hausse forte » du thermopower et de la conductivité électrique comparés au séléniure en l'absence d'oxygène de zinc. Les augmentations étaient par des facteurs de 30 et de 180 respectivement.

« En Outre, cet effet s'avère absent quand l'electronegativity d'impureté apparie l'hôte qu'il substitue, » Wu dit. « Ces résultats suggèrent que des alliages fortement electronegativity-mauvais puissent être conçus pour des applications thermoélectriques de haute performance. »

Wu et son organisme de recherche travaillent maintenant pour synthétiser réellement HMAs pour le test matériel dans le laboratoire. En plus de capturer l'énergie qui maintenant est gaspillée, Wu croit que le thermoelectrics HMA-basé peut également être utilisé pour le refroidissement semi-conducteur, dans lequel un dispositif thermoélectrique est utilisé pour refroidir d'autres dispositifs ou matériaux.

« Les refroidisseurs Thermoélectriques ont des avantages par rapport à la technologie conventionnelle de réfrigération du fait ils n'ont aucune pièce mobile, ont besoin de peu de maintenance, et travail à une échelle spatiale beaucoup plus petite, » Wu dit.

Ce projet a été supporté dans le cadre du Programme Contrôlé en laboratoire de la Recherche et développement du Laboratoire de Berkeley.

Last Update: 13. January 2012 07:00

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