Leghe Mal Adattate Una Buona Corrispondenza per Sviluppo Futuro delle Unità Termoelettriche di Rendimento Elevato

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

Impiegando alcuni dei supercomputer più potenti del mondo, gli scienziati al Laboratorio Nazionale di Lawrence Berkeley hanno indicato che le leghe mal adattate sono una buona corrispondenza per lo sviluppo futuro delle unità termoelettriche di rendimento elevato. Potenziale enorme della tenuta di Thermoelectrics per produzione di energia verde a causa della loro abilità a calore di convertito in elettricità.

Il Contorno traccia mostrare che la densità elettronica degli stati in HMAs ha creato dal seleniuro dello zinco tramite l'aggiunta (a) degli atomi di ossigeno di 3,125 per cento e (b) 6,25 per cento dell'ossigeno. Gli atomi del selenio e dello zinco sono indicati in blu-chiaro ed in arancio. Gli atomi di Ossigeno (blu scuro) sono circondati dalle alte regioni elettroniche di densità. (Immagine fornita da Junqiao Wu)

I Calcoli eseguiti “su Franklin,„ un Cray XT4 parallelizzano in maniera massiccia il sistema di trattamento di gestione dal Centro Di Elaborazione Scientifico Nazionale di Ricerca Energetica (NERSC), Indicato che l'introduzione delle impurità dell'ossigeno in una classe unica di semiconduttori conosciuti come le leghe altamente mal adattate (HMAs) può migliorare sostanzialmente la prestazione termoelettrica di questi materiali senza la degradazione consueta nella conducibilità elettrica.

“Stiamo predicendo un intervallo dei materiali economici, abbondanti, non tossici in cui la struttura di banda può ampiamente essere sintonizzata per risparmio di temi termoelettrico massimo,„ diciamo Junqiao Wu, un fisico con Divisione di Scienze dei Materiali del Laboratorio di Berkeley ed il professor con il Dipartimento di Uc Berkeley di Scienza e di Assistenza Tecnica dei Materiali che piombo questa ricerca.

“Specificamente, lo abbiamo indicato che l'ibridazione delle funzioni di onda elettroniche dei componenti della lega in HMAs permette di migliorare il thermopower senza molta riduzione della conducibilità elettrica, che non è la cassa per i materiali termoelettrici convenzionali,„ diciamo.

Stavano Collaborando con Wu su questo lavoro Joo-Hyoung Lee e Jeffrey Grossman, entrambi ora a Massachusetts Institute of Technology. Il gruppo ha pubblicato un documento su questi risultati nelle Lettere Fisiche di Esame nominate, “Migliorando il Fattore di Potenza Termoelettrico con la Verniciatura Isoelettronica Altamente Mal Adattata.„

Effetto Seebeck ed Energia Verde

Nel 1821, il fisico Tedesco-Estone Thomas Johann Seebeck ha osservato che una differenza della temperatura fra due estremità di una barra di metallo ha creato nel fratempo una corrente elettrica, con la tensione che è direttamente proporzionale alla differenza della temperatura. Questo fenomeno è stato conosciuto come l'effetto termoelettrico e di Seebeck tiene la grande promessa per la cattura e la conversione in elettricità degli alcuni di grandi importi del calore ora che sono persi dalla nella produzione guidata da turbina di corrente elettrica. Affinchè questo calore perso sia ripreso, tuttavia, il risparmio di temi termoelettrico deve essere migliorato significativamente.

“I Buoni materiali termoelettrici dovrebbero avere alto thermopower, l'alta conducibilità elettrica e conducibilità termica bassa,„ dice Wu. “Il Potenziamento nella prestazione termoelettrica può essere raggiunto diminuendo la conducibilità termica con nanostructuring. Tuttavia, la prestazione aumentante aumentando il thermopower ha provato difficile perché un aumento nel thermopower è venuto tipicamente al costo di una diminuzione nella conducibilità elettrica.„

Per ottenere intorno a questa enigma, Wu ed i suoi colleghi si sono girati verso HMAs, una nuova classe insolita di materiali di cui lo sviluppo piombo da un altro fisico con Divisione di Scienze dei Materiali del Laboratorio di Berkeley, Wladyslaw Walukiewicz. HMAs è formato dalle leghe che altamente sono mal adattate in termini di elettronegatività, che è una misura della loro capacità di attirare gli elettroni. La sostituzione parziale degli anioni con gli ioni isoelettronici altamente elettronegativi permette di da costruzione HMAs di cui i beni possono essere alterati drammaticamente con soltanto una piccola quantità di verniciatura. Gli Anioni sono negativamente - gli atomi fatti pagare e gli ioni isoelettronici sono elementi differenti che hanno configurazioni elettroniche identiche.

“In HMAs, l'ibridazione fra gli stati estesi della componente di maggioranza e gli stati localizzati dei risultati componenti di minoranza in una forte ristrutturazione della banda, piombo ai picchi nella densità elettronica degli stati ed alle nuove sotto bande nella struttura di banda originale,„ Wu dice. “A causa degli stati estesi ibridati in queste sotto bande, l'alta conducibilità elettrica in gran parte è mantenuta malgrado lo scattering della lega.„

Nel loro lavoro teorico, Wu ed i suoi colleghi hanno scoperto che questo tipo di assistenza tecnica della struttura elettronica può essere notevolmente utile per thermoelectricity. Lavorando con il seleniuro dello zinco a semiconduttore, hanno simulato l'introduzione di due concentrazioni diluite di atomi di ossigeno (3,125 e 6,25 per cento rispettivamente) per creare HMAs di modello. In entrambi i casi, le impurità dell'ossigeno sono state indicate per indurre i picchi nella densità elettronica degli stati sopra il minimo della banda di conduzione. Egualmente è stato indicato che le densità di carica vicino alla densità dei picchi dello stato sono state attirate sostanzialmente verso gli atomi di ossigeno altamente elettronegativi.

Wu ed i suoi colleghi hanno trovato che per ciascuno degli scenari di simulazione, dai i picchi indotti da impurità nella densità elettronica degli stati hanno provocato “un aumento importante„ sia di thermopower che la conducibilità elettrica ha confrontato al seleniuro senza ossigeno dello zinco. Gli aumenti erano rispettivamente dai fattori di 30 e di 180.

“Ancora, questo effetto è trovato per essere assente quando l'elettronegatività dell'impurità abbina il host che sostituisce,„ Wu dice. “Questi risultati indicano che le leghe altamente elettronegatività-mal adattate possono essere progettate per le applicazioni termoelettriche di rendimento elevato.„

Wu ed il suo gruppo di ricerca ora stanno lavorando realmente per sintetizzare HMAs per la prova fisica in laboratorio. Oltre a catturare l'energia che ora sta sprecanda, Wu crede che a thermoelectrics basato HMA possa anche essere usato per il raffreddamento semi conduttore, in cui un'unità termoelettrica è utilizzata per raffreddare altri unità o materiali.

“I dispositivi di raffreddamento Termoelettrici presentano i vantaggi sopra la tecnologia convenzionale della refrigerazione in quanto non hanno parti mobili, hanno bisogno di poca manutenzione e lavoro ad un disgaggio spaziale molto più piccolo,„ Wu dice.

Questo progetto è stato supportato nel quadro del Programma Diretto in laboratorio di Ricerca e sviluppo del Laboratorio di Berkeley.

Last Update: 13. January 2012 07:05

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