Drysset med kraft:Hvordan urenheder forstærker et termoelektrisk materiale på atomniveau

I søgen efter løsninger på stadigt forværrede miljøproblemer, såsom udtømning af fossile brændstoffer og klimaændringer, mange har vendt sig til termoelektriske materialers potentiale til at generere strøm. Disse materialer udviser det, der er kendt som den termoelektriske effekt, som skaber en spændingsforskel, når der er en temperaturgradient mellem materialets sider. Dette fænomen kan udnyttes til at producere elektricitet ved hjælp af den enorme mængde spildvarme, som menneskelig aktivitet genererer, såsom fra biler og termiske kraftværker, derved give et miljøvenligt alternativ til at tilfredsstille vores energibehov.

Magnesiumsilicid (Mg ₂ Si) er et særligt lovende termoelektrisk materiale med et højt "værdital" (ZT) - et mål for dets konverteringsydelse. Selvom forskere tidligere har bemærket, at doping Mg ₂ Si med en lille mængde urenheder forbedrer dens ZT ved at øge dens elektriske ledningsevne og reducere dens varmeledningsevne, de underliggende mekanismer bag disse ændringer var ukendte - indtil nu.

I en nylig fælles undersøgelse offentliggjort som en fremhævet artikel i Anvendt fysik bogstaver , videnskabsmænd fra Tokyo University of Science (TUS), Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), og Shimane University, Japan, gik sammen om at afsløre mysterierne bag den forbedrede ydeevne af Mg ₂ Si dopet med antimon (Sb). Dr. Masato Kotsugi fra TUS, hvem er den korresponderende forfatter til undersøgelsen, forklarer deres motivation:"Selvom det har vist sig, at Sb-urenheder øger ZT af Mg ₂ si, de resulterende ændringer i den lokale struktur og elektroniske tilstande, der forårsager denne effekt, er ikke blevet belyst eksperimentelt. Denne information er afgørende for at forstå mekanismerne bag termoelektrisk ydeevne og forbedre den næste generation af termoelektriske materialer."

Men hvordan kunne de analysere virkningerne af Sb-urenheder på Mg ₂ Si på atomniveau? Svaret ligger i udvidet røntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS) analyse og hård røntgenfotoelektronspektroskopi (HAXPES), som Dr. Masato Kotsugi og hr. Tomoyuki Kadono, hvem er første forfatter til undersøgelsen, forklar:"EXAFS giver os mulighed for at identificere den lokale struktur omkring et exciteret atom og har stærk følsomhed over for fortyndede elementer (urenheder) i materialet, som kan identificeres præcist gennem fluorescensmålinger. På den anden side, HAXPES lader os direkte undersøge elektroniske tilstande dybt inde i hovedparten af ​​materialet uden uønsket påvirkning fra overfladeoxidation." Sådanne kraftfulde teknikker, imidlertid, udføres ikke ved hjælp af køremaskiner. Forsøgene blev udført på SPring-8, et af verdens vigtigste store røntgensynkrotronstrålingsanlæg, med hjælp fra Dr. Akira Yasui og Dr. Kiyofumi Nitta fra JASRI.

Forskerne supplerede disse eksperimentelle metoder med teoretiske beregninger for at kaste lys over de nøjagtige virkninger af urenhederne i Mg ₂ Si. Disse teoretiske beregninger blev udført af Dr. Naomi Hirayama fra Shimane University. "At kombinere teoretiske beregninger med eksperimenter er, hvad der gav unikke resultater i vores undersøgelse, " hun siger.

Forskerne fandt ud af, at Sb -atomer tager stedet for Si -atomer i Mg ₂ Si krystalgitter og indføre en lille forvrængning i de interatomare afstande. Dette kunne fremme et fænomen kaldet fononspredning, hvilket reducerer materialets varmeledningsevne og igen øger dets ZT. I øvrigt, fordi Sb -atomer indeholder en mere valenselektron end Si, de tilvejebringer effektivt yderligere ladningsbærere, der bygger bro mellem valens- og ledningsbåndene; med andre ord, Sb -urenheder låser op for energitilstande, der letter energihoppet, som elektroner kræver for at cirkulere. Som resultat, den elektriske ledningsevne af dopet Mg ₂ Si stiger, og det samme gør dens ZT.

Denne undersøgelse har i høj grad uddybet vores forståelse af doping i termoelektriske materialer, og resultaterne skal tjene som en guide til innovativ materialeteknik. Dr. Tsutomu Iida, ledende videnskabsmand i undersøgelsen, siger:"I min vision om fremtiden, spildvarme fra biler omdannes effektivt til elektricitet for at drive et miljøvenligt samfund." vi er måske bare et skridt tættere på at opfylde denne drøm.