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

Omaka Legeringar en bra match för framtida utveckling av högpresterande termoelektriska enheter

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

Använda några av världens mest kraftfulla superdatorer, forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory har visat att stämmer legeringar är en bra match för den framtida utvecklingen av högpresterande termoelektriska enheter. Thermoelectrics håll enorm potential för grön energi produktion på grund av deras förmåga att omvandla värme till elektricitet.

Contour plottar som visar elektroniska täthet av stater i HMAS skapade zinkselenid genom tillsats av (a) 3,125 procents syreatomer, och (b) 6,25 procent syre. Zink och selen atomer visas i ljusblått och orange. Syreatomer (mörkblå) är omgiven av höga elektroniska densitet regioner. (Bild från Junqiao Wu)

Beräkningar utförs på "Franklin", en Cray XT4 massivt parallell bearbetning system som drivs av National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) visade att införandet av syre föroreningar till en unik klass av halvledare kallas mycket omaka legeringar (HMAS) kan avsevärt förbättra termoelektriska utförandet av dessa material utan den sedvanliga förnedring i elektriska ledningsförmåga.

"Vi förutspår en mängd billig, riklig, giftfria material där bandet struktur kan ofta trimmas för maximal termoelektriska effektivitet", säger Junqiao Wu, en fysiker med Berkeley Lab Materials Sciences Division och en professor med UC Berkeley institutionen för Materialvetenskap som ledde denna forskning.

"Närmare bestämt har vi visat att hybridisering av elektronisk våg funktioner legering beståndsdelar i HMAS gör det möjligt att förbättra thermopower utan mycket minskning av elektrisk ledningsförmåga, vilket inte är fallet för konventionell termoelektriska material", säger han.

Samarbeta med Wu på detta arbete var Joo-Hyoung Lee och Jeffrey Grossman, både nu vid Massachusetts Institute of Technology. Teamet publicerade ett dokument om dessa resultat i Physical titeln Review Letters, "Förbättrat Termoelektriskt Power Factor med mycket Mismatched Isoelectronic dopning."

Seebeckeffekten och grön energi

År 1821, konstaterade den tysk-estniska fysikern Thomas Johann Seebeck att en temperaturskillnad mellan två ändar av en metallstång skapat en elektrisk ström i mellan, med spänningen är direkt proportionell mot temperaturskillnaden. Detta fenomen kom att kallas Seebeck termoelektrisk effekt och det är mycket lovande för att fånga upp och omvandla till elektricitet några av de enorma mängder värme som nu försvinner i Turbindrivna produktion av elkraft. För detta förlorade värme kan återvinnas måste dock termoelektriska effektiviteten förbättras avsevärt.

"Bra termoelektriska material bör ha hög thermopower, hög elektrisk ledningsförmåga och låg värmeledningsförmåga", säger Wu. "Enhancement i termoelektriska prestanda kan uppnås genom att minska värmeledningsförmåga genom nanostrukturering. Har dock ökar prestanda genom att öka thermopower visat sig vara svårt eftersom en ökning av thermopower har vanligtvis kommit till priset av en minskning av elektrisk ledningsförmåga. "

För att komma runt denna gåta, vände Wu och hans kollegor att HMAS, ett ovanligt ny klass av material vars utveckling har letts av en annan fysiker med Berkeley Lab Materials Sciences Division, Wladyslaw Walukiewicz. HMAS bildas från legeringar som är mycket stämmer i termer av elektronegativitet, vilket är ett mått på deras förmåga att attrahera elektroner. Den delvis ersätta anjoner med mycket elektronegativa isoelectronic joner gör det möjligt att tillverka HMAS vars egenskaper kan förändras dramatiskt med bara en liten mängd av dopning. Anjoner är negativt laddade atomer och isoelectronic joner är olika faktorer som har identiska elektroniska konfigurationer.

"I HMAS, hybridisering mellan utvidgade stater i de flesta komponenter och lokal stater av resultaten minoriteten komponent i ett starkt band omstrukturering, vilket leder till toppar i den elektroniska täthet av stater och nya sub band i den ursprungliga bandet strukturen," Wu säger. "På grund av den utökade stater hybridiserade i dessa sub band, är hög elektrisk ledningsförmåga i stort oförändrad trots legering spridning."

I sitt teoretiska arbete, upptäckte Wu och hans kollegor att denna typ av elektronisk struktur teknik kan vara mycket fördelaktigt för thermoelectricity. Arbeta med halvledare zinkselenid, de simulerade införandet av två späda koncentrationer av syreatomer (3,125 och 6,25 procent respektive) för att skapa modell HMAS. I båda fallen var det syre orenheter visats inducera toppar i den elektroniska täthet av stater ovanför ledningsbandet minimum. Det var också visat att ladda densiteter nära tätheten av statens toppar betydligt lockades mot högt atomerna elektronegativa syre.

Wu och hans kollegor fann att för varje simuleringsscenarier resulterade orenhet-inducerade toppar i den elektroniska täthet av stater i en "kraftig ökning" av både thermopower och elektrisk ledningsförmåga jämfört med syrefri zinkselenid. De ökningar av faktorer på 30 och 180 respektive.

"Dessutom är denna effekt visar sig vara frånvarande när orenhet elektronegativitet matchar värd som den ersätter," Wu säger. "Dessa resultat tyder på att mycket elektronegativitet-stämmer legeringar kan utformas för hög prestanda termoelektriska applikationer."

Wu och hans forskargrupp arbetar nu med att faktiskt syntetisera HMAS för fysiska tester i laboratoriet. Utöver att fånga upp energin som nu slösas bort, menar Wu att HMA-baserade thermoelectrics också kan användas för solid state-kylning, där en termoelektrisk enheten används för att kyla andra enheter eller material.

"Termoelektriska kylare har fördelar jämfört med konventionell kylteknik i det att de har inga rörliga delar, behöver lite underhåll, och arbete på ett mycket mindre rumslig skala," Wu säger.

Detta projekt fick stöd i Berkeley Lab Laboratorium Regi forsknings-och utvecklingsprogram.

Last Update: 3. October 2011 01:22

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