Forskere afkoder termisk ledningsevne med lys

Banebrydende videnskab er ofte resultatet af ægte samarbejde, med forskere inden for en række områder, synspunkter og oplevelser mødes på en unik måde. En sådan indsats fra Clemson University-forskere har ført til en opdagelse, der kan ændre den måde, hvorpå videnskaben om termoelektrik bevæger sig fremad.

Uddannet forskningsassistent Prakash Parajuli; forskningsassistent professor Sriparna Bhattacharya; og Clemson Nanomaterials Institute (CNI) stiftende direktør Apparao Rao (alle medlemmer af CNI i College of Science's Department of Physics and Astronomy) arbejdede sammen med et internationalt hold af forskere for at undersøge et højeffektivt termoelektrisk materiale på en ny måde - ved at bruge lys.

Deres forskning er blevet offentliggjort i tidsskriftet Avanceret Videnskab og har titlen "Høj zT og dens oprindelse i Sb-dopede GeTe-enkeltkrystaller."

"Termoelektriske materialer omdanner varmeenergi til nyttig elektrisk energi; derfor, der er stor interesse for materialer, der kan konvertere det mest effektivt, " sagde Parajuli

Bhattacharya forklarede, at nøglen til at måle fremskridt på området er værdien, noteret som zT, som er meget afhængig af termoelektriske materialers egenskaber. "Mange termoelektriske materialer udviser en zT på 1-1,5, hvilket også afhænger af temperaturen af ​​det termoelektriske materiale. Først for nylig er der blevet rapporteret materialer med en zT på 2 eller højere."

"Dette rejser spørgsmålet, hvor mange flere sådanne materialer kan vi finde, og hvad er den grundlæggende videnskab, der er ny her, hvorigennem en zT større end 2 kan opnås?" Rao tilføjede. "Grundforskning er frøet, hvorfra anvendt forskning vokser, og for at være på forkant med termoelektrik slog vi os sammen med professor Yang Yuan Chens team på Academia Sinica, Taiwan."

Chen og Raos hold fokuserede på Germanium Telluride (GeTe), et enkelt krystalmateriale.

"GeTe er af interesse, men almindeligt GeTe uden doping viser ikke spændende egenskaber, " sagde Bhattacharya. "Men når vi først tilføjer en lille smule antimon til det, det viser gode elektroniske egenskaber, samt meget lav varmeledningsevne."

Mens andre har rapporteret GeTe-baserede materialer med høj zT, disse var polykrystallinske materialer. Polykrystaller har grænser mellem de mange små krystaller, som de er dannet af. Mens sådanne grænser gunstigt hæmmer varmeoverførsel, de maskerer oprindelsen af ​​fundamentale processer, der fører til høj zT.

"Her, vi havde rene og dopede GeTe-enkeltkrystaller, hvis termoelektriske egenskaber ikke er blevet rapporteret, " sagde Bhattacharya. "Derfor, vi var i stand til at evaluere disse materialers iboende egenskaber, som ellers ville være svære at tyde i nærvær af konkurrerende processer. Dette kan være den første GeTe-krystal med antimon-doping, der viste disse unikke egenskaber - primært den ultra-lave termiske ledningsevne."

Denne lave varmeledningsevne kom som en overraskelse, da materialets enkle krystallinske struktur skulle give mulighed for, at varme kan flyde let gennem krystallen.

"Elektroner bærer varmen og elektriciteten, så hvis du blokerer elektronerne, du har ingen strøm, " sagde Parajuli. "Derfor, Nøglen er at blokere varmestrømmen af ​​de kvantiserede gittervibrationer kendt som fononer, samtidig med at elektronerne kan flyde."

Doping af GeTe med den rigtige mængde antimon kan maksimere elektronstrømmen og minimere varmestrømmen. Denne undersøgelse fandt ud af, at tilstedeværelsen af ​​8 antimonatomer for hver 100 GeTe giver anledning til et nyt sæt fononer, som effektivt reducerer varmestrømmen, der blev bekræftet både eksperimentelt og teoretisk.

Holdet, sammen med samarbejdspartnere, der dyrkede krystallerne, udført elektroniske og termiske transportmålinger ud over tæthedsfunktionsteoretiske beregninger for at finde denne mekanisme på to måder:For det første, gennem modellering, brug af data om varmeledningsevne; sekund, gennem Raman-spektroskopi, som sonderer fononerne i et materiale.

"Dette er en helt ny vinkel for termoelektrisk forskning, " sagde Rao. "Vi er en slags pionerer på den måde - dekoder termisk ledningsevne i termoelektrik med lys. Det, vi fandt ved hjælp af lys, stemte godt overens med det, der blev fundet ved termiske transportmålinger. Fremtidig forskning i termoelektrik bør bruge lys - det er en meget kraftfuld ikke-destruktiv metode til at belyse varmetransport i termoelektrik. Du skinner lys på prøven, og indsamle oplysninger. Du ødelægger ikke prøven."

Rao sagde, at samarbejdspartnernes brede vifte af ekspertise var nøglen til deres succes. Gruppen omfattede Fengjiao Liu, en tidligere ph.d. studerende ved CNI; Rahul Rao, Forskningsfysiker ved Air Force Research Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base; og Oliver Rancu, en gymnasieelev ved South Carolina Governor's School for Science and Mathematics, som arbejdede med holdet gennem Clemsons SPRI (Summer Program for Research Interns) program. På grund af pandemien, teamet arbejdede med Rancu via Zoom, vejlede ham med nogle af Parajulis beregninger ved hjælp af en alternativ Matlab-kode.

"Jeg er så meget taknemmelig for muligheden for at arbejde med CNI-teammedlemmerne denne sommer, " sagde Rancu, som kommer fra Anderson, South Carolina. "Jeg har lært så mange ting om både fysik og forskningserfaringen generelt. Det var virkelig uvurderligt, og denne forskningspublikation er blot endnu en tilføjelse til en allerede fantastisk oplevelse."

"Jeg var meget imponeret over Oliver, " tilføjede Parajuli. "Han fangede hurtigt de nødvendige rammer for teorien."