Undersøgelse finder topologiske materialer kan øge effektiviteten af ​​termoelektriske enheder

Hvad hvis du ikke kunne køre dit klimaanlæg på konventionel elektricitet, men på solens varme i løbet af en varm sommerdag? Med fremskridt inden for termoelektrisk teknologi, denne bæredygtige løsning kan en dag blive en realitet.

Termoelektriske enheder er fremstillet af materialer, der kan omdanne en temperaturforskel til elektricitet, uden at kræve bevægelige dele - en kvalitet, der gør termoelektrik til en potentielt tiltalende kilde til elektricitet. Fænomenet er reversibelt:Hvis der tilføres elektricitet til en termoelektrisk enhed, det kan producere en temperaturforskel. I dag, termoelektriske enheder bruges til applikationer med relativt lav effekt, såsom at drive små sensorer langs olierørledninger, sikkerhedskopiering af batterier på rumsonder, og afkøling af minikøleskabe.

Men forskere håber at designe mere kraftfulde termoelektriske enheder, der vil høste varme - produceret som et biprodukt af industrielle processer og forbrændingsmotorer - og forvandle den ellers spildte varme til elektricitet. Imidlertid, effektiviteten af ​​termoelektriske enheder, eller mængden af ​​energi, de er i stand til at producere, er i øjeblikket begrænset.

Nu har forskere på MIT opdaget en måde at øge effektiviteten tredobbelt, ved hjælp af "topologiske" materialer, som har unikke elektroniske egenskaber. Selvom tidligere arbejde har antydet, at topologiske materialer kan tjene som effektive termoelektriske systemer, der har været lidt forståelse for, hvordan elektroner i sådanne topologiske materialer ville rejse som reaktion på temperaturforskelle for at producere en termoelektrisk effekt.

I et papir offentliggjort i denne uge i Procedurer fra National Academy of Sciences , MIT -forskerne identificerer den underliggende egenskab, der gør visse topologiske materialer til et potentielt mere effektivt termoelektrisk materiale, sammenlignet med eksisterende enheder.

"Vi har fundet ud af, at vi kan skubbe grænserne for dette nanostrukturerede materiale på en måde, der gør topologiske materialer til et godt termoelektrisk materiale, mere end konventionelle halvledere som silicium, "siger Te-Huan Liu, en postdoc i MIT's Institut for Maskinteknik. "Til sidst, dette kan være en ren energi måde at hjælpe os med at bruge en varmekilde til at generere elektricitet, hvilket vil reducere vores frigivelse af kuldioxid. "

Liu er første forfatter til PNAS papir, som omfatter kandidatstuderende Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, og Qichen Song; Mingda Li, adjunkt i Institut for Nuclear Science and Engineering; tidligere kandidatstuderende Bolin Liao, nu adjunkt ved University of California i Santa Barbara; Liang Fu, Biedenharn lektor i fysik; og Gang Chen, Soderberg -professoren og leder af Institut for Maskinteknik.

En sti frit tilbagelagt

Når et termoelektrisk materiale udsættes for en temperaturgradient - f.eks. den ene ende er opvarmet, mens den anden er afkølet - elektroner i det materiale begynder at strømme fra den varme ende til den kolde ende, generere en elektrisk strøm. Jo større temperaturforskel, jo mere elektrisk strøm der produceres, og jo mere strøm der genereres. Den mængde energi, der kan genereres, afhænger af elektronernes særlige transportegenskaber i et givet materiale.

Forskere har observeret, at nogle topologiske materialer kan gøres til effektive termoelektriske enheder gennem nanostrukturering, en teknik forskere bruger til at syntetisere et materiale ved at mønstre dets egenskaber i omfang af nanometer. Forskere har troet, at topologiske materialers termoelektriske fordel stammer fra en reduceret varmeledningsevne i deres nanostrukturer. Men det er uklart, hvordan denne forbedring af effektiviteten hænger sammen med materialets iboende, topologiske egenskaber.

For at prøve at besvare dette spørgsmål, Liu og hans kolleger studerede den termoelektriske ydelse af tin tellurid, et topologisk materiale, der vides at være et godt termoelektrisk materiale. Elektronerne i tin -tellurid udviser også ejendommelige egenskaber, der efterligner en klasse topologiske materialer kendt som Dirac -materialer.

Teamet havde til formål at forstå effekten af ​​nanostrukturering på tin tellurides termoelektriske ydeevne, ved at simulere måden elektroner bevæger sig gennem materialet. For at karakterisere elektrontransport, forskere bruger ofte en måling kaldet den "gennemsnitlige frie vej, "eller den gennemsnitlige afstand, en elektron med en given energi frit ville bevæge sig inden for et materiale, før den blev spredt af forskellige objekter eller defekter i det materiale.

Nanostrukturerede materialer ligner et patchwork af små krystaller, hver med grænser, kendt som korngrænser, der adskiller en krystal fra en anden. Når elektroner støder på disse grænser, de har en tendens til at spredes på forskellige måder. Elektroner med lange gennemsnitlige frie veje vil spredes stærkt, som kugler, der ricocheterer fra en væg, mens elektroner med kortere gennemsnitlige frie veje er meget mindre påvirket.

I deres simuleringer, forskerne fandt ud af, at tin Tellurides elektronegenskaber har en betydelig indvirkning på deres gennemsnitlige frie veje. De afbildede tin tellurides række elektronenergier mod de tilhørende gennemsnitlige frie veje, og fandt den resulterende graf set meget anderledes ud end dem for de fleste konventionelle halvledere. Specifikt, til tin tellurid og muligvis andre topologiske materialer resultaterne tyder på, at elektroner med højere energi har en kortere gennemsnitlig fri vej, mens elektroner med lavere energi normalt besidder en længere gennemsnitlig fri vej.

Holdet så derefter på, hvordan disse elektronegenskaber påvirker tin tellurids termoelektriske ydeevne, ved i det væsentlige at opsummere de termoelektriske bidrag fra elektroner med forskellige energier og betyde frie veje. Det viser sig, at materialets evne til at lede elektricitet, eller generere en strøm af elektroner, under en temperaturgradient, er i høj grad afhængig af elektronenergi.

Specifikt, de fandt ud af, at elektroner med lavere energi har en tendens til at have en negativ indvirkning på dannelsen af ​​en spændingsforskel, og derfor elektrisk strøm. Disse lavenergi-elektroner har også længere gennemsnitlige frie veje, hvilket betyder, at de kan spredes af korngrænser mere intensivt end elektroner med højere energi.

Størrelse ned

Går et skridt videre i deres simuleringer, holdet legede med størrelsen på tin tellurides individuelle korn for at se, om dette havde nogen effekt på elektronstrømmen under en temperaturgradient. De fandt ud af, at når de reducerede diameteren af ​​et gennemsnitligt korn til omkring 10 nanometer, bringe sine grænser tættere sammen, de observerede et øget bidrag fra elektroner med højere energi.

Det er, med mindre kornstørrelser, elektroner med højere energi bidrager meget mere til materialets elektriske ledning end elektroner med lavere energi, da de har kortere gennemsnitlige frie stier og er mindre tilbøjelige til at sprede sig mod korngrænser. Dette resulterer i en større spændingsforskel, der kan genereres.

Hvad mere er, forskerne fandt ud af, at faldende tin Tellurids gennemsnitlige kornstørrelse til omkring 10 nanometer producerede tre gange den mængde elektricitet, som materialet ville have produceret med større korn.

Liu siger, at selvom resultaterne er baseret på simuleringer, forskere kan opnå lignende ydeevne ved at syntetisere tin tellurid og andre topologiske materialer, og justering af deres kornstørrelse ved hjælp af en nanostruktureringsteknik. Andre forskere har foreslået, at krympning af et materiales kornstørrelse kan øge dets termoelektriske ydeevne, men Liu siger, at de for det meste har antaget, at den ideelle størrelse ville være meget større end 10 nanometer.

"I vores simuleringer vi fandt ud af, at vi kan skrumpe et topologisk materiales kornstørrelse meget mere end tidligere antaget, og baseret på dette koncept, vi kan øge dens effektivitet, "Siger Liu.

Tin -tellurid er blot et eksempel på mange topologiske materialer, der endnu ikke skal undersøges. Hvis forskere kan bestemme den ideelle kornstørrelse for hvert af disse materialer, Liu siger, at topologiske materialer snart kan være levedygtige, mere effektivt alternativ til at producere ren energi.

"Jeg synes topologiske materialer er meget gode til termoelektriske materialer, og vores resultater viser, at dette er et meget lovende materiale til fremtidige applikationer, "Siger Liu.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.