Site Sponsors
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions

Slecht Gecombineerde Legeringen een Goede Gelijke voor Toekomstige Ontwikkeling van de Thermo-elektrische Apparaten van Hoge Prestaties

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

Aanwendend krachtigste supercomputers van enkele wereld de, hebben de wetenschappers bij het Nationale Laboratorium van Lawrence Berkeley aangetoond dat de slecht gecombineerde legeringen een goede gelijke voor de toekomstige ontwikkeling van hoge prestaties thermo-elektrische apparaten zijn. De greep enorm potentieel van Thermoelectrics voor groene energieproductie wegens hun capaciteit om hitte in elektriciteit om te zetten.

Percelen die van de Contour elektronische dichtheid van staten in HMAs tonen leidden tot van zinkselenide door de toevoeging van (a) de atomen van de 3.125 percentenzuurstof, en (b) 6.25 percenten zuurstof. De zink en seleniumatomen worden getoond in lichtblauw en oranje. (De donkerblauwe) atomen van de Zuurstof worden omringd door hoge elektronische dichtheidsgebieden. (Beeld dat door Junqiao Wu wordt verstrekt)

De Berekeningen die op „Franklin worden uitgevoerd,“ een Cray XT4 massaal parallelle verwerkingssysteem dat door het Nationale Wetenschappelijke Gegevens Verwerkende Centrum van het Onderzoek Op Energiegebied in werking wordt gesteld (NERSC), toonden aan dat de introductie van zuurstofonzuiverheden in een unieke klasse van halfgeleiders die als hoogst slecht gecombineerde legeringen wordt bekend (HMAs) de thermo-elektrische prestaties van deze materialen zonder de gebruikelijke degradatie in elektrisch geleidingsvermogen kan wezenlijk verbeteren.

„Wij voorspellen een waaier van goedkope, overvloedige, niet-toxische materialen waarin de bandstructuur wijd voor maximale thermo-elektrische efficiency kan worden gestemd,“ zeggen Junqiao Wu, een fysicus met de Afdeling van de Wetenschappen van de Materialen van het Laboratorium van Berkeley en een professor met het Ministerie van UC Berkeley van de Wetenschap en de Techniek van Materialen dat dit onderzoek leidde.

„Specifiek, hebben wij dat de kruising van elektronische golffuncties van legeringsconstituenten in HMAs het mogelijk maakt om thermopower zonder veel vermindering van elektrisch geleidingsvermogen te verbeteren, dat niet het geval voor conventionele thermo-elektrische materialen is,“ hij zeggen aangetoond.

Werkten met Wu op dit werk samen joo-Hyoung Lee en Jeffrey Grossman, allebei nu in Massachusetts Institute of Technology. Het team publiceerde een document op deze resultaten in de Fysieke met een adellijke titel Brieven van het Overzicht, „Verbeterend de Thermo-elektrische Factor van de Macht met Hoogst het Slecht Gecombineerde Isoelectronic Smeren.“

Het Effect van Seebeck en Groene Energie

In 1821, merkte de Duits-Est fysicus Thomas Johann Seebeck op dat een temperatuurverschil tussen twee einden van een metaalbar binnen tot een elektrostroom - tussen leidde, met het voltage dat aan het temperatuurverschil direct evenredig is. Dit fenomeen werd genoemd geworden thermo-elektrisch effect Seebeck en het houdt grote belofte voor het vangen van en het omzetten van in elektriciteit in enkele enorme hoeveelheden hitte die nu in de turbine-gedreven productie van elektromacht wordt verloren. Voor deze verloren terug te winnen hitte, echter, moet de thermo-elektrische efficiency beduidend worden verbeterd.

De „Goede thermo-elektrische materialen zouden hoge thermopower, hoog elektrisch geleidingsvermogen moeten hebben, en het lage warmtegeleidingsvermogen,“ zegt Wu. De „Verhoging in thermo-elektrische prestaties kan worden bereikt door warmtegeleidingsvermogen te verminderen door het nanostructuring. Nochtans, zijn de stijgende prestaties door te stijgen thermopower moeilijk gebleken omdat een verhoging van thermopower typisch ten koste van een daling van elektrisch geleidingsvermogen.“ is gekomen

Om rond dit raadsel te krijgen, draaiden Wu en zijn collega's aan HMAs, een ongebruikelijke nieuwe klasse van materialen de waarvan ontwikkeling door een andere fysicus met de Afdeling van de Wetenschappen van de Materialen van het Laboratorium van Berkeley, Wladyslaw Walukiewicz is geleid. HMAs wordt gevormd van legeringen die in termen van electronegativity hoogst slecht gecombineerd zijn, die een meting van hun capaciteit is om elektronen aan te trekken. De gedeeltelijke vervanging van anionen met hoogst elektronegatieve isoelectronic ionen maakt het mogelijk om HMAs te vervaardigen de waarvan eigenschappen dramatisch met slechts een kleine hoeveelheid kunnen worden veranderd het smeren. De Anionen zijn negatief - de geladen atomen en isoelectronic ionen zijn verschillende elementen die identieke elektronische configuraties hebben.

„In HMAs, de kruising tussen uitgebreide staten van de meerderheidscomponent en gelokaliseerde staten die van de resultaten van de minderheidscomponent in het sterke band herstructureren, tot pieken in de elektronische dichtheid van staten en nieuwe subbanden in de originele bandstructuur leiden,“ Wu zegt. „Ten gevolge van de uitgebreide staten die in deze subbanden worden gekruist, wordt het hoge elektrische geleidingsvermogen grotendeels gehandhaafd ondanks zich legering het verspreiden.“

In hun theoretisch werk, ontdekten Wu en zijn collega's dat dit type van elektronische structuurtechniek zeer voordelig voor thermoelectricity kan zijn. Werkend met het selenide van het halfgeleiderzink, simuleerden zij de introductie van twee verdunde concentraties van zuurstofatomen (3.125 en 6.25 percenten respectievelijk) om tot modelHMAs te leiden. In beide gevallen, werden de zuurstofonzuiverheden getoond om pieken in de elektronische dichtheid van staten boven het minimum van de geleidingsband te veroorzaken. Men toonde ook dat de lastendichtheid dichtbij de dichtheid van staatspieken wezenlijk naar de hoogst elektronegatieve zuurstofatomen werd aangetrokken.

Wu en zijn collega's vonden dat voor elk van de simulatiescenario's, de onzuiverheid-veroorzaakte pieken in de elektronische dichtheid van staten in een „scherpe verhoging“ van zowel thermopower als elektrisch geleidingsvermogen in vergelijking met zuurstofvrij zinkselenide resulteerden. De verhogingen waren respectievelijk door factoren van 30 en 180.

„Verder, wordt dit effect gevonden afwezig om te zijn wanneer onzuiverheidselectronegativity de gastheer die het substitueert,“ Wu zegt aanpast. „Deze resultaten stellen voor dat de hoogst electronegativity-slecht gecombineerde legeringen voor hoge prestaties thermo-elektrische toepassingen kunnen worden ontworpen.“

Wu en zijn onderzoeksteam werken nu om HMAs eigenlijk samen te stellen voor het fysieke testen in het laboratorium. Naast het vangen van energie die nu wordt verspild, gelooft Wu dat op HMA-Gebaseerde thermoelectrics ook voor koelen het in vaste toestand kan worden gebruikt, waarin een thermo-elektrisch apparaat wordt gebruikt om andere apparaten of materialen te koelen.

De „Thermo-elektrische koelers hebben voordelen over conventionele koelingstechnologie in zoverre dat zij geen bewegende delen, vereisen weinig onderhoud hebben, en het werk bij een veel kleinere ruimteschaal,“ Wu zegt.

Dit project werd gesteund in het kader van Programma Voor Onderzoek En Ontwikkeling van het Laboratorium van Berkeley het Geleide Laboratorium.

Last Update: 13. January 2012 07:38

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit