Generere mere elektricitet fra spildvarme ved at lægge tryk

Forskere ved Osaka University har været i stand til at øge effektfaktoren for et lovende termoelektrisk materiale med mere end 100% ved at variere trykket, baner vejen for nye materialer med forbedrede termoelektriske egenskaber. Termoelektriske materialer har den unikke evne til at generere elektricitet fra temperaturforskelle og kan derfor potentielt bruges til at omdanne ellers spildt varme (f.eks. Varme fra varme bærbare computere eller servere) til brugbar elektricitet.

Ud over at forbedre de termoelektriske egenskaber af et materiale, forskerne afslørede, at materialets termoelektriske egenskaber stammer fra en overgang i topologien i den elektroniske båndstruktur, som omtales som Lifshitz -overgangen. Denne overgang adskiller sig fra den konventionelle faseovergang af Landau-typen, fordi den opstår uden at nogen symmetri går i stykker. Forskere har længe haft grund til at tro, at Lifshitz -overgangen spiller en afgørende rolle i mange kvantefænomener, såsom superledning, kompleks magnetisme, og termoelektriske egenskaber, men de manglede direkte bevis.

I denne nye undersøgelse, Osaka Universitets forskere har vist en direkte forbindelse mellem Lifshitz -overgangen og fysiske egenskaber i et termoelektrisk materiale. "Vi var i stand til at holde styr på Lifshitz -overgangen ved at anvende tryk og måle kvantesvingningerne, når trykket blev øget, "siger den tilsvarende forfatter Hideaki Sakai.

Forskerne studerede tinselenid (SnSe), et termoelektrisk materiale, der også er en halvleder med en lille mængde ledende bærere. I halvledere, det lavere energibalencebånd er fyldt med elektroner, der henviser til, at ledningsbåndet med højere energi er tomt for dem; når nogle urenheder og/eller kemiske defekter er indført, ledende bærere introduceres som elektroner og huller i lednings- og valensbåndene, henholdsvis, og halvlederen vil opføre sig som en leder. Bortset fra at have en effekt på materialets elektriske ledningsegenskaber, båndstrukturen har også en effekt på kvantefænomener, såsom deres termoelektriske evner. Valensbåndene af tinselenid er ikke helt flade, men har normalt to dale i sig.

"Da vi øgede trykket på materialet, vi observerede en ændring fra to til fire dale i materialet, da Lifshitz -overgangen fandt sted, "Siger Hideaki Sakai. Forskerne var i stand til at vise både eksperimentelt og teoretisk, at denne ændring i antallet af dale var direkte ansvarlig for en væsentlig forbedring af tinselenidets termoelektriske egenskaber.

Resultaterne af undersøgelsen kan hjælpe med at forberede forbedrede termoelektriske materialer i fremtiden og kan også hjælpe med at tydeliggøre virkningen af ​​Lifshitz -overgangen på forskellige transportegenskaber, hvilket fører til potentielle applikationer, såsom ny elektronik, der udnytter dalens frihedsgrader i båndstrukturen.