En ny tilgang til at bygge effektive termoelektriske nanomaterialer

Ved at dope et termoelektrisk materiale med små mængder svovl, et team af forskere har fundet en ny vej til store forbedringer i effektiviteten af ​​materialer til faststofopvarmning og -køling og genindvinding af spildenergi. Denne tilgang ændrer dybtgående den elektroniske båndstruktur af materialet – bismuth tellurid selenid – og forbedrer den såkaldte "meritfigur", "en rangordning af et materiales ydeevne, der bestemmer effektiviteten i applikationer og åbner døren til avancerede applikationer af termoelektriske materialer til at høste spildvarme fra kraftværker til computerchips.

"Dette er et spændende gennembrud, fordi dette giver os mulighed for at udrede to ugunstigt koblede egenskaber, der begrænser termoelektrisk ydeevne, " sagde Ganpati Ramanath, en nanomaterialeekspert, og John Tod Horton '52 professor i materialevidenskab og teknik ved Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), der ledede holdet. "I øvrigt, vores tilgang fungerer for både nanokrystaller såvel som bulkmaterialer, som er relevant for ansøgninger."

Termoelektriske materialer kan konvertere en spænding til en termisk gradient - hvilket får den ene side af et materiale til at blive varm eller kold - og omvendt. Den effektivitet, hvormed et materiale er i stand til at omdanne en spænding til en termisk gradient, bestemmes hovedsageligt af materialets værdi. Avancerede termoelektriske materialer er ikke særlig effektive, begrænsning af deres anvendelse til nicheapplikationer såsom picnic-køleskabe, husholdningsvandvarmere, bilsæde klimakontrol og nattesynsbriller. Med en væsentlig forbedring af fortjeneste, termoelektriske materialer kan bruges til mere avancerede applikationer, såsom høst af spildvarme i kraftværker og motorer, og køling af computerchips.

"halvfjerds procent af alt energitab er varme. Hvis vi kan generere endnu 5 procent mere elektricitet fra den spildvarme, vi vil være på vej til at få stor indflydelse på elproduktion og reduktion af kuldioxidemissioner, " sagde Theo Borca-Tasciuc, professor i maskinteknik ved Rensselaer og et centralt medlem af teamet, med ekspertise inden for termisk fysik og systemer. "Termoelektrik kunne også muliggøre effektiv, kompakt, og modulære varmepumpesystemer til at revolutionere klimaanlæg til applikationer i biler og bygninger."

Et termoelektrisk materiales værdi afhænger af tre egenskaber:elektrisk ledningsevne - materialets evne til at lede elektroner; Seebeck-koefficient – ​​evnen til at krydskonvertere el og varme; og termisk ledningsevne - materialets evne til at lede varme. For en høj fortjeneste, et materiale ville have høj elektrisk ledningsevne, høj Seebeck-koefficient, og lav varmeledningsevne. En barriere for at opnå høje værdier er, at elektrisk ledningsevne og Seebeck-koefficient har et omvendt forhold; den ene stiger den anden falder.

"Ved at dope vismuttellurid selenid med hundredvis af ppm svovl, vi er i stand til at øge både den elektriske ledningsevne og Seebeck-koefficienten i nanokrystaller såvel som bulkmaterialer fremstillet af nanokrystallerne, " sagde Ramanath. Forskningen viser en stigning på op til 80 procent i værdien af ​​bulkmaterialet. "Større forbedringer kunne være mulige med højere doping eller brug af andre dopingmidler."

"Den store udfordring i at generere strøm med termoelektrik er, hvordan man får høj spænding og lav modstand på samme tid. Vores arbejde viser en ny og vigtig vej frem:Vi skal optimere denne metode og omsætte den i praksis, " sagde David Singh, en professor ved University of Missouri, hvis teoretiske beregninger giver grundlag for at forklare de observerede resultater i form af komplekse ændringer i den elektroniske båndstrukturform.

Forskningen er detaljeret i den 11. maj, 2016, online udgave af Avancerede materialer i artiklen "Harnessing topological band effects in bismuth telluride selenide for large enhancements in thermoelectric properties through isovalent doping." Arbejdet er et samarbejde mellem forskere ved Rensselaer, University of Missouri, og Max Planck Institute for Solid State Research i Tyskland. Til dette arbejde, Devender - den første forfatter af papiret og en doktorgradsstuderende fra Ramanath - modtog en Norman Stoloff-pris for kandidatforsknings excellence af Institut for Materialevidenskab og Engineering ved Rensselaer. Devender arbejder i øjeblikket hos GlobalFoundries Inc.

Ramanaths forskning eksemplificerer det arbejde, der udføres på The New Polytechnic, håndtere vanskelige og komplekse globale udfordringer, behovet for tværfagligt og ægte samarbejde, og brugen af ​​de nyeste værktøjer og teknologier, hvoraf mange er udviklet hos Rensselaer. Hans forskning fokuserer på nanomaterialer og grænseflader til applikationer inden for elektronik og energi. Hans undersøgelser omfatter udvikling af nye typer bulkmaterialer og tynde film gennem rettet syntese og samling, samt skabelsen af ​​molekylært skræddersyede grænseflader med nye eller unikke egenskaber. Ramanaths nylige opdagelser omfatter en ny klasse af termoelektriske nanomaterialer – inklusive denne nye variant af svovldoteret bismuthtelluridselenid – bygget af samlinger af skulpturelle nanostrukturer til højeffektiv faststofkøling og elektricitetsindsamling fra spildvarme, sammen med nanomolekylære lag af "nanoglue", der kan forbinde ikke-klæbende materialer, hæmme kemisk sammenblanding, og øge den termiske transport.