MagLab-forskere opdager termoelektriske egenskaber i lovende materialeklasse

At udforske et område, der er overset af andre videnskabsmænd, fysikere ved Florida State University-hovedkvarteret National High Magnetic Field Laboratory har opdaget, at en klasse af materialer kaldet "1-2-20s" har meget lovende termoelektriske egenskaber, åbner sluserne for yderligere forskning i disse fascinerende materialer.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Termoelektriske enheder kan producere elektricitet, hvis der er en temperaturforskel mellem de to ender. De kan også gøre det modsatte:Brug elektricitet til at absorbere eller frigive varme. Denne ejendom har mange potentielle anvendelsesmuligheder, fra kompressorfri køling til elproduktion i rummet til at genvinde al den energi, der spildes af bilmotorer (ca. 40 procent), der slipper ud gennem varme.

"Det er ikke gratis energi, " sagde MagLab-fysiker Ryan Baumbach, tilsvarende forfatter på papiret, "men det er det næstbedste."

De fleste materialer har meget lidt termoelektrisk effekt. Det skyldes, at overførsel af elektricitet over et materiale og overførsel af varme normalt går hånd i hånd. Generelt, naturen ønsker at holde varme og elektrisk ledningsevne forbundet, men for at have god termoelektrisk ydeevne, disse to ejendomme skal afkobles.

For omkring to år siden, Baumbach foreslog, at Kaya Wei, MagLabs Jack Crow postdoc og medlem af Baumbachs forskningsgruppe, studere et "1-2-20" materiale, der virkede som en god kandidat til termoelektricitet.

Det specifikke materiale, Baumbach foreslog, indeholdt tre grundlæggende ingredienser i et "1-2-20"-forhold:grundstoffet ytterbium; et overgangsmetal (enten kobolt, rhodium eller iridium); og grundstoffet zink. Baumbach havde en fornemmelse af, at denne forbindelse havde, hvad der skulle til, hvis det manipuleres korrekt i sit laboratorium, at tommel næsen til naturen og adskille termisk ledningsevne fra varmeledningsevne.

Brug af højtemperaturovne i Baumbachs laboratorium, Wei syntetiserede forbindelsen i krystalform og udsatte prøverne for en kappe af målinger. Resultaterne bekræftede, at ved lave temperaturer, materialet var i virkeligheden et lovende termoelektrisk materiale.

Så var det tid til at begynde at lege med variablerne for at se, hvad de ellers kunne opdage.

"Forskellige sammensætninger fremmer helt forskellige fysiske egenskaber, " sagde Wei, avisens hovedforfatter.

Opbygning af en bedre termoelektrisk

Forskerne ønskede at lave et materiale så termoelektrisk optimeret, som de kunne, en egenskab repræsenteret af en parameter kaldet den termoelektriske værdi (eller ZT). At gøre det, de havde brug for at tilpasse deres krystal til:1. Maksimere dens elektriske ledningsevne; 2. Minimer dets varmeledningsevne; og 3. Udvikle en stor spænding, når en lille temperaturgradient påføres (dvs. når den ene ende er lidt varmere end den anden), en egenskab målt ved en værdi kaldet Seebeck-koefficienten.

Det første mål var det nemmeste:Materialet var allerede en god leder, for en stor del takket være zink og overgangsmetal.

De andre mål var mere komplicerede. For at opnå det andet, forskerne havde brug for at sabotere fononerne, der i høj grad er ansvarlige for at transportere varme. Fononer er vibrationer, der forplanter sig gennem et materiales tredimensionelle atomgitter:På denne måde, energi absorberet af et atom kan kruse, atom til atom, på tværs af hele materialet.

Heldigvis, iboende til selve strukturen af ​​1-2-20 materialer var en måde at kaste op med massive fonon-vejspærringer.

Krystallen Wei fremstillede havde en burlignende struktur bestående af 20 zinkatomer, der husede et ytterbiumatom. Ytterbium-atomet rasler rundt i buret, forstyrrer fononernes evne til at sprede varme gennem materialet.

Krystallens store enhedscelle styrker denne effekt. Phononerne er spredt rundt hver vej.

Ytterbium giver en anden vigtig ingrediens til forbindelsens termoelektriske succes. Den indeholder en slags elektron kaldet en "f-elektron". Uden at blive for kvantemekanisk, f elektroner har en tendens til at forblive tæt nok på kernen til at opretholde en magnetisk karakter. I ytterbium og nogle andre specielle tilfælde, imidlertid, f elektroner vakler mellem at klemme sig fast til kernen og vove sig ud mod naboatomer.

"Ytterbium f-elektronerne er specielle, fordi de har en dualitet mellem at være lokaliseret og delokaliseret, " Forklarede Baumbach. "Dette hjælper med at redegøre for materialets store Seebeck-koefficient."

Næste skridt

Nu hvor de har opdaget og bedre forstået denne opskrift på termoelektricitet, Baumbach og Wei udforsker yderligere.

ZT-værdierne for de forbindelser, de testede, topper ved meget lave temperaturer - omkring -400 grader Fahrenheit eller -240 grader Celsius. Dette ville kun være nyttigt i rummet eller til andre lavtemperaturapplikationer. Men ved at eksperimentere med de specifikke ingredienser i deres 1-2-20'ere, forskerne siger, at de kan opnå forskellige resultater.

"Der er så mange kemiske varianter for 1-2-20-familien af ​​forbindelser, " sagde Wei. "Det er ikke kun, at du ville ændre 100 procent af et eller andet element, men du kunne lave kemisk substitution. Og vores håb er, ved at gøre det, vi vil være i stand til at bevæge os omkring den temperatur, hvor ZT-værdien topper og finde materialer til forskellige applikationer."

Selvom de er tilfredse med deres succes, Baumbach og Wei virker endnu mere begejstrede for at have åbnet en helt ny dåse orme med deres videnskab, der vil tiltrække flokke af andre forskere.

"Disse fyre er blot nogle få eksempler på en rigtig stor familie af materialer, " sagde Baumbach. "Vi tror, ​​at dette arbejde vil stimulere en masse interesse fra grupper uden for vores egen."