Undersøgelse viser, hvordan tilsætning af urenheder til termoelektriske materialer påvirker deres mekaniske egenskaber

Ifølge videnskabsmænd tegner spildvarme, som kommer ind i miljøet og forbliver ubrugt, sig for mere end 70 % af det globale tab af energiforbrug. Ved hjælp af termoelektriske materialer - specielle halvledere - kan den afledte varme omdannes til elektricitet. Termoelektriske materialer kan også bruges til at designe køleanordninger, som reducerer energiforbruget i husholdnings- og industriapplikationer.

At søge efter disse materialer er en af ​​nøgleopgaverne for moderne materialevidenskab. Et team af forskere fra Skoltech, Emanuel Institute of Biochemical Physics RAS samt andre førende videnskabelige organisationer i Rusland og Israel undersøgte, hvordan tilsætning af urenheder til blytellurid (PbTe), et termoelektrisk materiale, kan påvirke dets mekaniske egenskaber og udvide tjenesten levetid for en termoelektrisk generator. Artiklen er blevet publiceret i Applied Physics Letters .

"Blytellurid bruges på gasrørledninger i Yamal-regionen for at sikre driften af ​​sensorer. Det er umuligt at placere elledninger der, og dieselmotorer kræver konstant overvågning. I stedet bruges små rør med brændende gas til at levere varme. Ved hjælp af en termoelektrisk materiale, omdannes varmen fra den brændende gas til elektricitet, hvilket er nok til, at sensorerne kan fungere," sagde Ilya Chepkasov, den førende forfatter af undersøgelsen, seniorforsker ved Skoltechs Energy Transition Center.

Materialet har også nogle ulemper:Det kan forringes, når det kommer i kontakt med materialer, der har en anden termisk udvidelseskoefficient. Let forringelse kan afhænge af doping, som er processen med at tilføje urenheder til krystalstrukturen af ​​en halvleder for at ændre dens elektriske og termoelektriske egenskaber og gøre ledningsevnen kontrolleret og forudsigelig.

Der er to typer af halvlederdoping. N-type doping resulterer i en halvleder med elektroner som de vigtigste ladningsbærere. P-type doping producerer en halvleder, hvor hovedrollen i ladningsoverførsel tilskrives de såkaldte "huller" - steder, der optræder i en elektronisk binding efter elektronen forlader. De har en positiv ladning og opfører sig som positive partikler.

Forskere har påvist, at den kemiske binding i n-type PbTe svækkes, når de løsnede orbitaler fyldes op. Som følge heraf bliver materialet mere duktilt, og ved termisk ekspansion er risikoen for dets nedbrydning mindre end i p-typen.

"Afhængig af typen af ​​doping kan materialets mekaniske egenskaber variere på forskellige måder. I n-typen PbTe påvirker koncentrationen af ​​dopingmidler lidt de mekaniske egenskaber. I p-typen PbTe er der en markant stigning i dens hårdhed Vi undersøgte årsagen til denne adfærd og fandt ud af, at n-type doping resulterer i en ekstra elektron på den løsnede orbital. På grund af dette bliver materialet mere duktilt et mere skrøbeligt materiale," tilføjede Chepkasov.

De nye resultater vil hjælpe med at vælge et dopingmiddel, der vil forbedre de mekaniske egenskaber af blytellurid og øge holdbarheden af ​​en termoelektrisk generator. Forskningen var en del af det russiske videnskabsakademis bevilling nr. 19-72-30043 med titlen "Laboratorium for computerdesign af nye materialer." Projektet sigter mod at udvikle nye beregningsmetoder, der væsentligt vil forbedre mulighederne for computerforudsigelse af materialer, under hensyntagen til så komplekse faktorer som temperatur og korrelationseffekter.

Flere oplysninger: Ilya V. Chepkasov et al., Oprindelse af skør adfærd af dopede PbTe-baserede termoelektriske materialer, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0185002

Journaloplysninger: Anvendt fysikbreve

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology