Kolde neutroner brugt i varm jagt på bedre termoelektrik

Termoelektriske enheder er meget alsidige, med evnen til at omdanne varme til elektricitet, og el til varme. De er små, letvægts, og ekstremt holdbare, fordi de ikke har nogen bevægelige dele, Derfor er de blevet brugt til at drive NASA-rumfartøjer på langsigtede missioner, inklusive Voyager-rumsonderne, der blev opsendt i 1977.

Fordi påføring af en elektrisk strøm til en termoelektrik får ladede partikler til at diffundere fra materialets varme side til deres kolde side, de bruges i vid udstrækning i køleapplikationer til at trække varme ud af systemer, som i varmepumper, fiberoptiske enheder, og autostole – og til at kontrollere temperaturen på batteripakker. Processen er også reversibel og kan effektivt genvinde "spildvarme" for at generere nyttig elektricitet fra varme overflader, såsom et køretøjs udstødningsrør.

På trods af deres alsidighed og pålidelighed, at bruge termoelektrisk teknologi i mange applikationer er fortsat en udfordring, på grund af deres relativt høje omkostninger og ineffektivitet sammenlignet med konventionelle el- og varme- eller kølesystemer. For maksimal effektivitet, termoelektrik skal både være gode ledere af elektricitet og dårlige ledere af varme - egenskaber findes sjældent i det samme materiale.

Ingeniører fra Duke University bruger kolde (lavere energi) neutronspredningsteknikker ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL) til at studere atomers vibrationsbevægelser, kaldet "fononer, " hvilket er, hvordan varme forplanter sig gennem termoelektriske materialer. Ved at forstå, hvordan fononer bevæger sig og spredes inden for termoelektrisk, forskerne håber på til sidst at kontrollere fonon- og elektrontransport for at forbedre den elektriske ledningsevne og samtidig minimere varmestrømmen.

"Vi bruger neutroner til at studere termoelektriske materialer, fordi vi kan indstille deres energier til at matche den lavere energi af fononerne, som giver en højere opløsning, " sagde Tyson Lanigan-Atkins, en ph.d. elev hos Duke, i en gruppe, der arbejder under Olivier Delaire, lektor i maskinteknik og materialevidenskab. "Neutroner gør os også i stand til at udføre forskning i mere komplekse prøvemiljøer, ligesom den brugerdefinerede indkapsling, vi bruger i et højtemperaturmiljø."

Blandt de termoelektriske materialer, der blev brugt i eksperimenterne, var en enkelt krystal af blyselenid, som var en af ​​de første legeringer, der blev undersøgt og kommercialiseret til termoelektriske generatorer. Forskerne var interesserede i den strukturelle faseovergang af materialet ved høje temperaturer, på grund af den unikke kobling mellem elektroniske og gittervibrationer i systemet, og den indflydelse denne overgang har på termisk ledningsevne.

Mens de udførte deres forskning ved det kolde neutron triple-axis spectrometer (CTAX) neutronstrålelinje ved ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), forskerne havde brug for at justere store krystaller til inden for en grad eller to fra hinanden. De stødte på adskillige tekniske udfordringer ved at designe deres eksperiment, herunder udvikling af en prøveholder til korrekt positionering af de indkapslede krystaller i neutronstrålen.

"Materialet bliver meget ustabilt - i det væsentlige begynder det at fordampe - under vakuumforhold og i almindelige gasmiljøer, hvilket typisk er, hvordan vi udfører højtemperatureksperimenter, " sagde Jennifer Niedziela, en vibrationsspektroskopist i ORNL's Nuclear Science and Engineering-direktorat og tidligere postdoc-forsker i Delaires gruppe. "Foregriber disse problemer, vi indkapslede prøverne i kvartskapsler for at opretholde en kontrolleret atmosfære omkring prøven, hvilket gjorde det muligt for os at studere fonondynamikken. Dette fremhæver en anden fordel ved neutronspredning, idet vi kan lægge en masse materiale i vejen for neutronstrålen, som kvarts, uld, og ledninger, og stadig se de signaler, der interesserer os."

Designet af prøveholderen gik gennem flere iterationer for at sikre, at forskerne kunne opvarme prøven sikkert. De rådførte sig med eksperter i ORNL glasforretning, som lavede kvartskapslen, og prøvemiljølaboratoriet, samt eksperter i højtemperaturmaterialer, for at sikre, at de kunne designe en holder, der ville opfylde forskernes mål. Hver holder skulle designes til at holde krystallen i en fast orientering og passe inden for et relativt lille område i højtemperaturprøvemiljøet. Hvis prøven skulle flytte sig, de risikerede at kortslutte ovnen og få den til at slukke.

Tidligere bestræbelser på at løse akustiske fononlinjebredder under 1,0 milli-elektronvolt (meV) var ikke succesfulde på grund af opløsningsgrænserne for de anvendte neutroninstrumenter. Imidlertid, de kolde neutroner, der leveres af CTAX-strålelinjen, er velegnede til højopløsningsmåling af gitterdynamik i krystallinske faste stoffer, der har et højt signal-til-støj-forhold, såsom termoelektriske materialer. "Ved at bruge det tredobbelte akse spektrometer ved CTAX, vi opnåede fremragende data om linjebredden af ​​akustiske fononer under 1,0 meV i et højtemperaturregime, sagde Niedziela.

Neutronspredningsmålingerne gjorde det muligt for Duke-forskningsgruppen at opnå unikke, kraftfuld indsigt i mikroskopiske varmetransportfænomener i materialer, der er vigtige for energianvendelser.