Undersøgelse af de termoelektriske egenskaber af tinselenid -nanostrukturer

Single crystal tin selenide (SnSe) er en halvleder og et ideelt termoelektrisk materiale; det kan direkte omdanne spildvarme til elektrisk energi eller bruges til køling. Da en gruppe forskere fra Case Western Reserve University i Cleveland, Ohio, så den grafenlignende lagdelte krystalstruktur af SnSe, de havde en af ​​de magiske "aha!" øjeblikke.

Gruppen rapporterer i Journal of Applied Physics , at de straks genkendte dette materiales potentiale for at blive fremstillet i nanostrukturformer. "Vores laboratorium har arbejdet på todimensionale halvledere med lagdelte strukturer, der ligner grafen, "sagde Xuan Gao, en lektor ved Case Western.

Nanomaterialer med nanometer-mål-som tykkelse og kornstørrelse-har gunstige termoelektriske egenskaber. Dette inspirerede forskerne til at dyrke nanometertykke nanoflakes og tynde film af SnSe for yderligere at studere dets termoelektriske egenskaber.

Gruppens arbejde fokuserer på den termoelektriske effekt. De studerer, hvordan temperaturforskellen i et materiale kan få ladningsbærere - elektroner eller huller - til at omfordele og generere en spænding over materialet, konvertere termisk energi til elektricitet.

"Anvendelse af en spænding på et termoelektrisk materiale kan også føre til en temperaturgradient, hvilket betyder, at du kan bruge termoelektriske materialer til køling, "sagde Gao." Generelt, materialer med en høj fortjeneste har høj elektrisk ledningsevne, en høj Seebeck-koefficient – ​​genereret spænding pr. Kelvin af temperaturforskel i et materiale – og lav varmeledningsevne, " han sagde.

En termoelektrisk fortjenstfigur, ZT, angiver, hvor effektivt et materiale omdanner termisk energi til elektrisk energi. Gruppens arbejde fokuserer på magtfaktoren, som er proportional med ZT og angiver et materiales evne til at omdanne energi, så de målte effektfaktoren af ​​de materialer, de lavede.

For at dyrke SnSe nanostrukturer, de brugte en kemisk dampaflejringsproces (CVD). De fordampede termisk en tinselenidpulverkilde inde i et evakueret kvartsrør. Tin- og selenatomer reagerer på en silicium- eller glimmervækstskive placeret ved lavtemperaturzonen i kvartsrøret. Dette får SnSe nanoflakes til at dannes på overfladen af ​​skiven. Tilføjelse af et dopingelement som sølv til SnSe tynde film under materialesyntese kan yderligere optimere dets termoelektriske egenskaber.

Ved begyndelsen, "de tynde nanostruktur SnSe-film, vi fremstillede, havde en effektfaktor på kun ~5 procent af den for enkeltkrystal-SnSe ved stuetemperatur, " sagde Shuhao Liu, en forfatter på papiret. Men, efter at have prøvet en række forskellige stoffer for at forbedre materialets effektfaktor, de fastslog, at "sølv var det mest effektive - hvilket resulterede i en forbedring af effektfaktoren på 300 procent sammenlignet med udopede prøver, " sagde Liu. "Den sølvdoterede SnSe nanostrukturerede tynde film lover en høj værdi."

I fremtiden, forskeren håber, at SnSe nanostrukturer og tynde film kan være nyttige til miniaturiserede, miljøvenligt, lavpris termoelektriske og køleanordninger.