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고성능 열전 장치의 미래 개발을위한 일치하지 않는 합금은 좋은 경기

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터의 일부 채용, 과학자 로렌스 버클리 국립 연구소가 일치하지 않는 합금은 고성능 열전 장치의 미래 개발을위한 좋은 일치하는 것을 보여주었다. Thermoelectrics 때문에 전기에 열을 변환 능력의 그린 에너지 생산을 위해 막대한 잠재력을 보유.

(A) 3.125 %의 산소 원자의 추가에 의해 아연 셀렌에서 만든 HMAs, 그리고 (b) 6.25 %의 산소 상태의 전자 밀도를 보여주는 등고선 플롯. 아연과 셀레늄 원자는 밝은 파란색과 주황색으로 표시됩니다. 산소 원자 (진한 파란색)가 높은 전자 밀도 영역으로 둘러싸여 있습니다. (Junqiao 우에서 제공하는 이미지)

계산가 수행 "프랭클린"국립 에너지 연구 과학 컴퓨팅 센터 (NERSC)에서 운영하는 크레이 XT4 대규모 병렬 처리 시스템은 고도로 일치하지 않는 합금 (HMAs)으로 알려진 반도체의 고유한 클래스에 산소 불순물의 도입이 실질적으로 할 수 것으로 나타났다 전기 전도율의 관습 저하없이 이러한 재료의 열전 성능을 향상시킬 수 있습니다.

"우리는 밴드 구조가 널리 최대한 열전 효율을위한 조정 수있는 저렴, 풍부한, 무독성 재료의 범위를 예상하고있다"Junqiao 우, 버클리 연구소의 재료 과학 사업부와 물리학 자와 UC 버클리의학과와 교수는 말합니다 이 연구를 주도 재료 과학 및 공학.

"특히 우리가 HMAs의 합금 성분의 전자 파동 함수의 하이브리드화 그것이 가능한 기존의 열전 재료의 경우하지 않습니다 전기 전도성의 많은 감소없이 thermopower을 향상시키기 위해 만드는 것을 보여줬고"라고 말합니다.

이 작품에 대한 우와 협력은 이제 MIT에서 모두 파이팅 - Hyoung 리와 제프리 그로스 맨이되었다. 팀은 "고도로 일치하지 않는 Isoelectronic 도핑과 열전의 역률을 향상."라는 물리적 검토 편지에서 이러한 결과에 대한 논문을 출판

Seebeck 효과와 그린 에너지

1821 년, 독일 물리 학자 토마스 요한 에스토니아어 Seebeck은 금속 막대의 두 끝을 사이의 온도 차이는 전압의 온도 차이에 직접 비례되는 사이에 전류를 만든 것을 관찰했다. 이러한 현상은 Seebeck 열전 효과로 알려진되었고, 그것은 열의 방대한의 일부가 이제 전력의 터빈 구동 생산 손실을 캡처 및 전기에 변환을위한 큰 약속을 보유하고 있습니다. 이 손실 열을 매립지하기 위해서는, 그러나, 열전 효율이 크게 개선되어야합니다.

"좋은 열전 재료가 높은 thermopower, 높은 전기 전도성, 낮은 열전도도가 있어야합니다"우 말합니다. "열전 성능 향상은 nanostructuring 통해 열전도도를 줄임으로써 얻을 수있다. thermopower의 증가는 일반적으로 전기 전도도의 감소의 비용왔다 때문에 증가 thermopower 증가 성능이 어려운 입증했습니다. "

이 수수께끼 같은 주위를 얻으려면, 우와 그의 동료들은 HMAs, 그의 개발 버클리 연구소의 재료 과학 사업부, Wladyslaw Walukiewicz 다른 물리학 자에 의해 주도되었습니다 물질의 비정상적인 새 클래스로 변해. HMAs는 전자를 유치하는 능력의 측정이다 전기의 측면에서 매우 일치하지 합금에서 형성됩니다. 높은 음전 기의 isoelectronic 이온과 anions의 부분 교체가 가능 누구의 속성을 극적으로 도핑의 단지 작은 양의 변경할 수 있습니다 HMAs를 조작하는 수 있습니다. Anions에 부정적인 원자를 부과하고 isoelectronic 이온은 모두 동일 전자 구성을 가지고 다른 요소입니다.

"HMAs에서 주 및 원래의 밴드 구조의 새로운 서브 밴드의 전자 밀도의 봉우리로 이어지는 대다수의 구성 요소와 강력한 밴드 구조 조정에있는 소수 구성 요소 결과화된 상태의 확장 상태, 사이의 하이브리드화는"우 말합니다. "긋는 이러한 하위 밴드에 hybridized 확장 상태로, 높은 전기 전도성이 크게 합금 산란에도 불구하고 유지입니다."

자신의 이론적 작업에 우와 그의 동료들은 전자 구조 공학의이 유형 thermoelectricity에 대해 크게 도움이 될 수있다는 사실. 모델 HMAs을 만드는 산소 원자 두 희석 농도 (각각 3.125와 6.25 %로)의 반도체 아연 셀렌과 협력, 그들은 시뮬레이션을 도입. 두 경우 모두에서 산소 불순물이 전도대 최소 위의 상태의 전자 밀도의 봉우리를 유도하기 위해 표시되었습니다. 또한 주 봉우리의 밀도 근처 충전 밀도가 상당히 높은 음전 기의 산소 원자를 향해 매력 있다고 표시했습니다.

우와 그의 동료 시뮬레이션 시나리오 각각에 대해, 국가의 전자 밀도의 불순물 유발 봉우리가 산소가없는 아연 셀렌에 비해 전기 전도성 thermopower 모두의 "급증"결과 것으로 나타났습니다. 증가는 각각 30 180 요인에 의해했다.

우 말하길 "또한이 효과는 불순물 전기가 대체가있는 호스트와 일치할 때 결석으로 발견된다." "이러한 결과는 높은 전기 - 일치하지 않는 합금은 고성능 열전 어플 리케이션을 위해 설계된 수있다하는 것이 좋습니다."

우와 그의 연구 그룹은 지금 실제로 실험실에서 실제 테스트 HMAs을 종합하기 위해 노력하고 있습니다. 지금은 낭비되는 에너지를 캡처하는 것 외에도, 우 해당 HMA 기반 thermoelectrics도 열전 장치가 다른 장치 또는 물질을 냉각하는 데 사용되는 고체 냉각, 사용할 수 있습니다 믿습니다.

"열전 쿨러들이, 더 움직이는 부품이 없다 훨씬 작은 공간 규모에 약간의 유지 보수 및 작업을 필요로 기존의 냉각 기술을 통해 이점을 가지고,"우 말합니다.

이 프로젝트는 버클리 연구소의 연구실 감독 연구 개발 프로그램에 따라 지원했다.

Last Update: 7. October 2011 16:02

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