Bedre metrisk for termoelektriske materialer betyder bedre designstrategier

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har vist, at en mængde kendt som termoelektrisk ledningsevne er et effektivt mål for dimensionaliteten af ​​nyudviklede termoelektriske nanomaterialer. Undersøgelse af film af halvledende enkeltvæggede kulstofnanorør og atomisk tynde plader af molybdænsulfid og grafen, de fandt klare forskelle i, hvordan dette tal varierer med ledningsevne, i overensstemmelse med teoretiske forudsigelser i 1D og 2D materialer. En sådan metrik lover bedre designstrategier for termoelektriske materialer.

Termoelektriske enheder tager temperaturforskelle mellem forskellige materialer og genererer elektrisk energi. Det enkleste eksempel er to strimler af forskellige metaller svejset sammen i begge ender for at danne en løkke; opvarmning af et af krydsene, mens det andet holdes køligt, skaber en elektrisk strøm. Dette kaldes Seebeck-effekten. Dens potentielle anvendelser lover effektiv udnyttelse af den enorme mængde strøm, der spildes som afledt varme i hverdagen, om det er i kraftoverførsel, industriel udstødning, eller endda kropsvarme. I 1993, det blev teoretiseret, at atomisk tynd, endimensionelle materialer ville have den ideelle blanding af egenskaber, der kræves for at skabe effektive termoelektriske enheder. Den resulterende søgning førte til, at nanomaterialer såsom halvledende enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er) blev anvendt.

Imidlertid, der var et løbende problem, der forhindrede nye designs og systemer i at blive præcist karakteriseret. De vigtigste egenskaber ved termoelektriske enheder er termisk ledningsevne, elektrisk ledningsevne, og Seebeck-koefficienten, et mål for, hvor meget spænding der skabes i grænsefladen mellem forskellige materialer for en given temperaturforskel. Da materialevidenskaben rykkede ind i nanoteknologiens tidsalder, disse tal var ikke nok til at udtrykke en nøgleegenskab ved de nye nanomaterialer, der blev skabt:materialets "dimensionalitet", eller hvordan 1D, 2D eller 3D-agtigt opfører materialet sig. Uden en pålidelig, utvetydig metrik, det bliver svært at diskutere, endsige optimere nye materialer, især hvordan dimensionaliteten af ​​deres struktur fører til forbedret termoelektrisk ydeevne.

For at løse dette dilemma, et hold ledet af professor Kazuhiro Yanagi fra Tokyo Metropolitan University satte sig for at udforske en ny parameter, der for nylig blev markeret af teoretiske undersøgelser, den "termoelektriske ledningsevne". I modsætning til Seebeck-koefficienten, holdets teoretiske beregninger bekræftede, at denne værdi varierede forskelligt med øget ledningsevne for 1D, 2D og 3D systemer. De bekræftede også dette eksperimentelt, klargøring af tynde film af enkeltvæggede kulstofnanorør samt atomisk tynde plader af molybdænsulfid og grafen, arketypiske materialer i henholdsvis 1D og 2D. Målinger viste endegyldigt, at den termoelektriske ledningsevne af 1D-materialet faldt ved højere ledningsevneværdier, mens kurven for 2D-materialer plateau. De bemærker også, at dette viser, hvordan materialets dimensionalitet bevares, selv når materialet er fremstillet i makroskopiske film, et stort løft for bestræbelserne på at udnytte den specifikke dimensionalitet af visse strukturer for at forbedre den termoelektriske ydeevne.

Kombineret med teoretiske beregninger, holdet konkluderer, at høj termoelektrisk ledningsevne, høj konventionel elektrisk ledningsevne, og lav varmeledningsevne er nøglemål for konstruktionen af ​​nye enheder. De håber, at disse kan måles, håndgribelige mål vil bringe tiltrængt klarhed og enhed til udviklingen af ​​avancerede termoelektriske enheder.