組合わせを誤まられた合金高性能の熱電装置の未来の開発のためのよいマッチ

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

世界の最も強力なスーパーコンピュータのいくつかを、科学者はローレンスバークレーの国立研究所で用いて組合わせを誤まられた合金が高性能の熱電装置の未来の開発によいマッチであることを示しました。 電気への白熱状態への能力のために緑のエネルギー生産のための Thermoelectrics の把握巨大な潜在性。

輪郭は HMAs の州の電子密度が (a) 3.125 パーセントの酸素原子および (b) 酸素 6.25% の付加によって亜鉛セレン化物から作成したことを示すことを計画します。 亜鉛およびセレニウム原子は淡いブルーおよびオレンジで示されています。 酸素原子は (濃紺) 高い電子密度領域によって囲まれます。 (Junqiao ウーが提供する画像)

非常に組合わせを誤まられた合金として知られている電気伝導性の通常の劣化なしで半導体の一義的なクラスへの酸素の不純物の導入が (NERSC)大幅にこれらの材料の熱電パフォーマンスを高めることができることを 「フランクリンで作動する」、示されている各国用の (HMAs)エネルギー研究の科学的なコンピューティングセンターによって Cray XT4 の大きく行われる計算並行処理システム。

「私達はバンド構造が極大熱電効率のために広く調整することができる安価で、豊富で、無毒な材料の範囲を」言いますバークレーの実験室の物質科学部の Junqiao ウー、物理学者およびこの研究を導いたカリフォルニア州立大学バークレー校の物質科学および工学の部の教授を予測しています。

「HMAs の合金の要素の電子波動関数の交配が慣習的な熱電材料のための箱ではない電気伝導性の多くの減少なしで thermopower を高めることを可能にすることとりわけ、私達に示されていてと」、彼が言いますあります。

今 Joo-Hyoung リーおよび Jeffrey は Grossman、マサチューセッツ工科大学この作業のウーとの両方協力していました。 チームはタイトルを付けられた物理的な検討の文字のこれらの結果のペーパーを出版しま 「高めます非常に組合わせを誤まられた等電子数添加の熱電力率を」。

ゼーベック効果および緑エネルギー

1821 年に、トマスヨハン Seebeck ドイツエストニア語の物理学者は金属棒の 2 つの端間の温度の相違が電流を中間作成したことを、観察しました温度の相違に正比例していて電圧が。 この現象は Seebeck の熱電効果および電気に今電力のタービン主導の生産で失われる熱の巨額の金のいくつかを捕獲し、変換するための大きい約束を保持するように知られるようになりました。 しかしこの無くなった熱のために開拓されるべき熱電効率はかなり改善されなければなりません。

「よい熱電材料高い thermopower、高い電気伝導性があるべきで低い熱伝導度」、はウーを言います。 「熱電パフォーマンスの機能拡張を nanostructuring による熱伝導度の減少によって達成することができます。 ただし、 thermopower を高めることによる増加するパフォーマンスは thermopower の増加が電気伝導性の減少の費用で普通」。来たので困難証明しました

この謎解き問題を回避するためには、ウーおよび彼の同僚は HMAs の開発がバークレーの実験室の物質科学部の他の物理学者によって導かれた材料の珍しく新しいクラス、 Wladyslaw Walukiewicz に回りました。 HMAs は電子を引き付ける機能の測定である、 electronegativity の点では非常に組合わせを誤まられる合金から形作られます。 非常に陰性の等電子数イオンが付いている陰イオンの部分的な置換は特性がわずか添加とだけ劇的に変えることができる HMAs を製造することを可能にします。 陰イオンは負荷電原子であり、等電子数イオンは同一の電子構成がある異なった要素です。

「HMAs の大半のコンポーネントの拡張状態と州の電子密度のピークおよび元のバンド構造の新しく補助的なバンドに導く強いバンド建て直しの少数の構成の結果の集中させた状態間の交配で」とウーは言います。 「これらの補助的なバンドに交配させられる拡張州のために高い電気伝導性は合金の分散にもかかわらず主として維持されます」。

理論的な作業では、このタイプの電子構造工学が熱電気のために非常に有利である場合もあることをウーおよび彼の同僚は検出しました。 半導体亜鉛セレン化物を使用して、彼らはモデル HMAs を作成するために酸素原子 (それぞれ 3.125 のそして 6.25%) の 2 つの希薄な集中の導入を模倣しました。 いずれの場合も、酸素の不純物は伝導帯の最小値の上の州の電子密度のピークを誘導するために示されていました。 州のピークの密度の近くの電荷密度が非常に陰性の酸素原子の方に大幅に引き付けられたことがまた示されていました。

シミュレーションのシナリオのそれぞれのために、州の電子密度の不純物誘発のピークが thermopower の 「急増で」起因し、電気伝導性が酸素なしの亜鉛セレン化物と比較したことがウーおよび彼の同僚は分りました。 増加は 30 および 180 の要因によってそれぞれ行いました。

「なお、この効果は不在不純物の electronegativity が代わりにするホストにと」、ウー言う一致させるときであるために確認されています。 「非常に electronegativity 組合わせを誤まられた合金が高性能の熱電アプリケーションのために」。は設計することができることをこれらの結果提案します

ウーおよび彼の研究グループは今実際に実験室の物理的なテストのための HMAs を総合するために働いています。 今無駄にされているエネルギーの捕獲に加えて、ウーは HMA ベースの thermoelectrics がまた他の装置か材料を冷却するのに熱電装置が使用されているソリッドステート冷却に使用することができることを信じます。

「可動部分がないこと熱電クーラー慣習的な冷凍の技術上の利点が、必要とします少し維持をあり、大いにより小さく空間的なスケールの作業」にとウーは言います。

このプロジェクトはバークレーの実験室の実験室によって指示された研究開発プログラムの下でサポートされました。

Last Update: 13. January 2012 05:05

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