Højentropi-stabiliserede chalcogenider med høj termoelektrisk ydeevne

Termoelektrisk teknologi kan generere elektricitet fra spildvarme, selvom deres ydeevne kan resultere i en flaskehals for bredere applikationer. Materialeforskere kan regulere den konfigurationelle entropi af et materiale ved at introducere forskellige atomarter for at justere fasesammensætningen og udvide ydeevneoptimeringsrummet. I en ny rapport nu på Videnskab , Binbin Jang et al. brugt et n-type blyselenid (PbSe)-baseret højentropi materiale dannet ved entropi-drevet strukturel stabilisering. De stort set forvrængede gitter i højentropisystemet forårsagede usædvanlige forskydningsspændinger til at give stærk fononspredning for at sænke gitterets termiske ledningsevne. Arbejdet præsenterer et nyt paradigme til at forbedre termoelektrisk ydeevne for højentropi termoelektriske materialer ved hjælp af entropiteknik.

Termoelektrisk teknologi

Materialeforskere har udtænkt teknologier, der kan opfange spildvarme, der er et resultat af konverteringsprocesser, der bidrager til mere end to tredjedele af energispildet i verden. Termoelektrisk teknologi er en attraktiv mulighed for nem tilpasning i mange situationer på grund af dens lille størrelse, mangel på roterende dele og gasudledninger. En eksisterende hindring for termoelektrisk teknologi er dens lave konverteringseffektivitet. Typisk, forskere kan bestemme energieffektiviteten i forhold til elektriske ledningsevner og gitter termisk ledningsevne af termoelektriske materialer. Forskere havde derfor optimeret parametrene ved at tune båndstrukturer, mikrostrukturer og bindingstilstande med en række foreslåede metoder til båndkonvergens, resonansniveau, legering, nanostruktur og væskelignende ioner. Selvom navngivet forskelligt, disse metoder hjælper generelt med at forbedre elektriske transportegenskaber og ødelægge den termiske transportvej.

Højentropi legeringer (HEA)

Højentropi-legeringer (HEA'er) giver typisk en vej til at forbedre termoelektrisk ydeevne ved at styrke fononspredning baseret på deres uorden og forvrængede gitter. Forskere kan regulere materialets elektroniske egenskaber for at opretholde elektrontransport til brug på tværs af en lang række kemiske sammensætninger. Disse materialer er typisk defineret som en solid løsning indeholdende mere end fem hovedelementer, og konceptet kan udvides til at skabe entropi-stabiliserede funktionelle materialer. Materialeforskere havde først rapporteret entropi-stabiliserede højentropi funktionelle materialer indeholdende enten magnesium, kobolt, nikkel, kobber, zinkoxid efterfulgt af perovskitter, fluorit, spineller, karbider og silicider. I ethvert givet system, når stigningen i entropi er større end for entalpi, den konfigurationelle entropi vil stige med stigende elementarter, fører til en nedsat Gibbs fri energi og stabiliseret krystalstruktur. Forskere kan også danne en ny fase ved at bruge entropi som drivkraften for præstationsoptimering. Strukturer stabiliseres på denne måde, opretholdt fri energi, hvor den strukturelle stabiliseringseffekt brugte konkurrencen mellem entropi og entalpi. Jang et al. beregnet entalpien og vibrationsentropien ved hjælp af tæthedsfunktionel teori for at vise, hvordan den entropi-drevne strukturelle stabiliseringseffekt af et materialesystem dannede en effektiv metode til at skabe forskellige højentropi materialer med en sammensætning ud over opløselighedsgrænsen for at give et varieret udvalg af egenskaber for optimeret ydeevne.

De stabiliserede strukturer opretholdt langrækkende rækkefølge af atomarrangement for at danne et elektrisk transportnetværk. Kortrækkende forstyrrelse i materialer med høj entropi fik gitterforstyrrelser til kraftigt at sprede varmebærende fononer, der sænkede gitterets termiske ledningsevne af materialer med høj entropi, for derefter at give termiske transportegenskaber med temperaturforskel i den termoelektriske tilstand. Forskere havde tidligere bemærket forbedret termoelektrisk ydeevne på tværs af en række materialer med høj entropi. Imidlertid, Jang et al. tilbage for at forstå forholdet mellem konfigurationsentropi, mikrostruktur og termoelektriske egenskaber. For eksempel, opløseligheden i materialer er begrænset på grund af størrelsen og masseforskellene mellem de opløste atomer og opløsningsmiddelatomer, gør det udfordrende at realisere højentropi-legeringer ved blot at øge legeringsindholdet. Holdet undersøgte derefter grundstofindholdet af materialerne ved hjælp af røntgendiffraktion (XRD) mønstre og energi dispersiv spektroskopi (EDS) kortlægning. De søgte efter materialer med sammensætninger ud over opløselighedsgrænsen for at give et varieret område for optimal ydeevne. For yderligere at bekræfte materialearkitekturen og homogeniteten, de udførte højvinklet ringformet mørkefelt (HAADF) og atomær røntgen-EDS-analyse med scanning transmission elektronmikroskopi (STEM). Resultaterne viste, at fordelingen af ​​alle elementer var homogen fra mikro- til nanoskalaen. Brug af EDS-kortlægninger i ultrahøj opløsning, Jang et al. yderligere klarlagt atomgitre og positioner af hvert element, hvor de veldefinerede atomarrangementer var forskellige fra amorfe materialer.

Entropi-drevet stabilisering

Under processen med entropi-drevet stabilisering, de opnåede et velholdt atomarrangement, men det stærke misforhold mellem atomstørrelse kompromitterede gitteret til kraftigt at påvirke den termiske transportproces. Holdet målte ændringen af ​​stammer fra laventropi til højentropi ved hjælp af prøver og viste, hvordan resultaterne blev tredoblet under processen. De brugte derefter nanostråle elektrondiffraktion (NBED) til at detektere gitterstammerne og undersøgte stammen på atomær skala ved hjælp af scanning transmission elektronmikroskopi og højvinklet ringformet mørkt felt (STEM-HAADF). Den entropi-drevne strukturelle stabilisering i materialesystemet arbejdede sammen med det stærkt forvrængede gitter for at bevirke elektrisk og termisk transport i materialet. Da Jang et al. senere introducerede tin (Sn) til et materiale, de bibeholdt elektronstabilitet og bemærkede, hvordan et reduceret båndgab snarere end høj entropi resulterede i iboende excitation ved høj temperatur.

Outlook

På denne måde Binbin Jian og kolleger viste en metode til at danne forskellige termoelektriske materialer med høj entropi via entropi-drevet strukturel stabilisering med elektriske transportegenskaber, der er godt vedligeholdt af den stabiliserede struktur. De store stammer fra det stærkt forvrængede gitter i materialer med høj entropi gav stærk spredning for varmebærende fononer, således at bidrage til en ultralav gitter termisk ledningsevne. Disse resultater resulterede i forbedrede temperaturfunktioner for materialer med høj entropi, sammen med høj termisk konverteringseffektivitet under eksperimenterne. Værket giver indsigt i entropiteknik for højtydende termoelektriske materialer og moduler som en attraktiv vej til at udvikle højtydende funktionelle materialer.

© 2021 Science X Network