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不匹配的合金高性能熱電設備的將來的發展的好符合

Published on January 26, 2010 at 6:11 PM

雇用某些世界的最強大的巨型計算機,科學家在勞倫斯伯克利國家實驗室向顯示不匹配的合金是好對手對於高性能熱電設備的將來的發展。 在綠色發電的 Thermoelectrics 暫掛極大潛在於他們的對白熱的能力到電裡。

等高密謀顯示電子密度狀態在 HMAs 從鋅硒化物創建了由 (a) 3.125 百分比氧原子和 (b) 6.25% 的添加氧氣。 鋅和硒原子在淺蘭和橙色顯示。 氧原子 (深藍) 由高電子密度地區包圍。 (Junqiao 提供的圖像吳)

在 「富蘭克林大量執行的計算」,國家能源研究科學計算中心管理的 Cray XT4 並行處理系統 (NERSC),向顯示氧氣雜質的簡介到叫作高度不匹配的合金的半導體裡唯一選件類 (HMAs)可能充分地提高這些材料熱電性能,不用在電傳導性的習慣的降低。

「我們預測帶狀組織可以為最大的熱電效率廣泛調整耗費小,豐富,無毒材料的範圍」,說有伯克利實驗室的材料學分部的 Junqiao 吳、物理學家和教授有導致此研究材料學和工程的加州大學伯克利分校的部門的。

「特別地,我們有顯示合金組成部分的電子波函數的雜交在 HMAs 使成為可能提高 thermopower,不用電傳導性的減少,不是常規熱電材料的盒」,他說。

與此工作的吳合作現在 Joo-Hyoung 李和傑費 Grossman,兩個在麻省理工學院。 這個小組發表了在這些結果的一篇論文在題為的實際覆核信函, 「提高與高度不匹配的等電子摻雜的熱電功率因素」。

Seebeck 作用和綠色能源

在 1821年,這個德國愛沙尼亞語物理學家托馬斯約翰 Seebeck 觀察金屬棒之間的二個末端的一個溫度區別中間創建了電流,当電壓是正比例的對溫度區別。 此現象出名, Seebeck 溫差電效應和它擁有獲取和轉換的成電在電能的渦輪主導的生產熱現在丟失的某些巨大承諾巨大數額。 对能將恢復的此失去的熱,然而,必須顯著改進熱電效率。

「好熱電材料應該有高 thermopower,高電傳導性,并且低導熱性」,吳說。 「在熱電性能的改進可以通過減少導熱性達到通過 nanostructuring。 然而,增長的性能通過增加 thermopower 證明困難,因為在 thermopower 的一個增量典型地來以在電傳導性的減少為代價」。

要避過此難題,吳和他的同事轉向 HMAs,發展由有伯克利實驗室的材料學分部的另一個物理學家導致材料的異常的新的選件類, Wladyslaw Walukiewicz。 HMAs 從高度不匹配根據鮑林標度,是他們的能力評定吸引電子的合金被形成。 陰離子的部分替換與高度電陰性的等電子的離子的使成為可能製造屬性可以顯著修改與少量只摻雜的 HMAs。 陰離子是帶負電荷的原子,并且等電子的離子是有相同的電子配置的不同的要素。

「在 HMAs,在多數人要素的延長的狀態和少數民族組件結果的局限化的狀態的之間雜交在一個嚴格的範圍更改結構的,導致在電子密度的峰頂狀態和在原始帶狀組織的新的子範圍」,吳說。 「由於延長的狀態雜交到這些子範圍,高電傳導性主要被維護竟管合金分散」。

在他們理論上的工作,吳和他的同事發現此種電子結構工程可以非常地是有利的為熱電。 與半導體鋅硒化物一起使用,他們模擬氧原子 (各自 3.125 和 6.25% 的二稀釋濃度的簡介) 創建模型 HMAs。 在兩種情況下,氧氣雜質顯示導致在電子密度的峰頂在傳導帶最小數量上的狀態。 也顯示在密度的電荷密度狀態峰頂附近充分地被吸引了往高度電陰性的氧原子。

吳和他的同事發現為其中每一個模擬方案,在電子密度的雜質誘發的峰頂狀態導致 「猛增」 thermopower,并且電傳導性與無氧的鋅硒化物比較了。 增量分別為由系數 30 和 180。

「此外,發現此作用缺少的,當雜質鮑林標度符合它替代時的主機」,吳說。 「這些結果建議高度鮑林標度不匹配的合金可以為高性能熱電應用設計」。

吳和他的研究小組在實驗室裡現在工作實際上綜合實際測試的 HMAs。 除獲取現在浪費的能源之外,吳相信基於 HMA 的 thermoelectrics 可能為固體冷卻也使用,熱電設備用於冷卻其他設備或材料。

「熱電致冷機有好處超過常規冷藏技術他們沒有運動機件,需要一點維護,并且在一個更小的空間的縮放比例的工作」,吳說。

此項目被支持根據伯克利實驗室的實驗室處理的研究與開發程序。

Last Update: 25. January 2012 12:35

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