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

Feilkoblede Alloys en god match for Future Development of High Performance Thermoelectric Devices

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

Ansette noen av verdens kraftigste superdatamaskiner, forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory har vist at feilaktige legeringer er en god match for den fremtidige utviklingen av høy ytelse termoelektriske enheter. Thermoelectrics holde et enormt potensial for grønn energiproduksjon på grunn av deres evne til å omdanne varme til elektrisitet.

Contour plott som viser elektronisk tettheten av stater i HMAs opprettet fra sink selen ved tilsetning av (a) 3,125 prosent oksygen atomer, og (b) 6,25 prosent oksygen. Sink og selen atomer er vist i lyseblå og oransje. Oksygenatomer (mørk blå) er omgitt av høye elektronisk tetthet regioner. (Bilde leveres av Junqiao Wu)

Beregninger utført på "Franklin", en Cray XT4 massivt parallell prosessering system som drives av National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), viste at innføringen av oksygen urenheter inn i en unik klasse av halvledere kjent som svært mistilpassede legeringer (HMAs) kan vesentlig forbedre termoelektriske ytelsen av disse materialene uten vanlig degradering i elektrisk ledningsevne.

"Vi er forutsi en rekke billig, rikelig, ikke-giftig materiale som bandet strukturen kan bli mye innstilt for maksimal termoelektrisk effektivitet," sier Junqiao Wu, en fysiker med Berkeley Lab er Materialer Sciences Division og en professor med UC Berkeley Department of Materials Science and Engineering som ledet denne forskningen.

"Konkret har vi vist at hybridiseringen av elektronisk bølgefunksjoner av legert bestanddeler i HMAs gjør det mulig å forbedre thermopower uten mye reduksjon av elektrisk ledningsevne, som ikke er tilfelle for konvensjonelle termoelektriske materialer," sier han.

Samarbeide med Wu på dette arbeidet var Joo-Hyoung Lee og Jeffrey Grossman, både nå ved Massachusetts Institute of Technology. Teamet publisert en artikkel om disse resultatene i Physical Review Letters tittelen "Forbedre Thermoelectric Power Factor med svært Feilkoblede Isoelectronic doping."

Seebeck Effect og Green Energy

I 1821 observerte den tysk-estisk fysikeren Thomas Johann Seebeck at en temperaturforskjell mellom to ender av et metall bar skapt en elektrisk strøm i mellom, og spenningen er direkte proporsjonal med temperaturforskjellen. Dette fenomenet ble kjent som Seebeck termoelektrisk effekt, og det har store løftet for å fange og konvertere til elektrisitet noen av de enorme mengder varme nå tapt i turbin-drevet produksjon av elektrisk kraft. For denne tapte varmen bli gjenvunnet, må imidlertid termoelektrisk effektiviteten bli vesentlig forbedret.

"God termoelektriske materialer bør ha høy thermopower, høy elektrisk ledningsevne og lav varmeledningsevne," sier Wu. "Enhancement i termoelektrisk ytelse kan oppnås ved å redusere varmeledningsevnen gjennom nanostrukturering. Har imidlertid økt ytelsen ved å øke thermopower vist seg vanskelig, fordi en økning i thermopower har vanligvis kommet på bekostning av en reduksjon i elektrisk ledningsevne. "

For å komme rundt denne gåten, snudde Wu og hans kolleger å HMAs, en uvanlig ny klasse av materialer som utviklingen har vært ledet av en annen fysiker med Berkeley Lab er Materials Sciences Division, Wladyslaw Walukiewicz. HMAs er dannet fra legeringer som er svært feilaktige i form av elektronegativitet, som er et mål på deres evne til å tiltrekke seg elektroner. Den delvis utskifting av anioner med svært elektronegative isoelectronic ioner gjør det mulig å dikte HMAs hvis egenskaper kan bli dramatisk endret med kun en liten mengde av doping. Anioner er negativt ladede atomer og isoelectronic ioner er ulike elementer som har identiske elektroniske konfigurasjoner.

"I HMAs, den hybridisering mellom utvidet statene flertallet komponent og lokalisert statene mindretallet komponent resultater i et sterkt bånd restrukturering, som fører til topper i den elektroniske tetthet av stater og nye sub band i det opprinnelige bandet struktur," Wu sier. "På grunn av utvidet statene hybridisert inn i disse sub band, er høy elektrisk ledningsevne i hovedsak opprettholdt på tross av legert spredning."

Last Update: 24. October 2011 12:35

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