Bir araştırma ekibi, nadir veya pahalı unsurlara dayanmadan umut verici bir enerji hasat malzemesinin nasıl daha verimli hale getirileceğini keşfetti. Β-zn denilen malzeme4SB3atık ısıyı elektriğe dönüştürebilen tellür içermeyen bir termoelektrik bileşiktir.
Çalışmalarında yayınlanan İleri BilimBilim adamları, kristalin içine bakmak için gelişmiş nötron saçılma tekniklerini kullandılar ve şaşırtıcı bir şey buldular: yapının içindeki atomları “çıngırak” ile küçük ısı titreşimleri (fononlar olarak adlandırılır) bozuldu. Fonon olarak bilinen bu fenomen geçişten kaçındı, ısının malzemeden nasıl geçtiğini önemli ölçüde yavaşlattı.
Bu etki sayesinde, malzemenin termal iletkenliği son derece düşük seviyelere düştü – termoelektrik performans için büyük haberler. Daha da iyisi, araştırmacılar, bu malzemenin tek kristal versiyonunun, elektrikli polikristalin muadilinden daha iyi olduğunu ve%1.4’lük yüksek güç dönüşüm verimliliğine ulaştığını buldular.
Bu sonuçlar, akıllı fonon kontrolünün, ısıyı güce dönüştürmek için yüksek performanslı, çevre dostu malzemelere yol açabileceğini göstermektedir.
Termoelektrik malzemelerde, geçişten kaçınma, enerji dispersiyonlarının kesişmek yerine birbirlerini ittiği yayılan fononlar ve lokalize titreşim modları arasındaki etkileşimi ifade eder. Bu fenomen, kristal simetrileri veya titreşim modu bağlantıları gibi belirli koşullar altında meydana gelir.
Ancak, araştırmacılar tek kristal β-zn geliştirdiğinde4SB3geleneksel termoelektrik malzemelerden sapan beklenmedik, kaçınılmış bir geçiş, benzersiz fonon davranışını ortaya çıkardılar.
Makale, tek kristalin β-ZN’nin termoelektrik performansını araştırıyor4SB3ultralow kafes termal iletkenliğine yol açan mikroskobik mekanizmaları ortaya çıkararak tellür içermeyen bir malzeme (κL).
Araştırmacılar, esnek olmayan nötron saçılımı (INS) kullanarak, uzunlamasına akustik fononlar ve düşük enerjili çıngırak modları arasında kaçınılan geçişin ilk deneysel gözlemini sağlar. Bu etkileşim, 4000 m/s’nin üzerinde yaklaşık 591 m/s’ye kadar fonon grubu hızında önemli bir azalmaya neden olur ve fonon ömrünü kısaltır ve her ikisi de güçlü bir şekilde bastırılmış ısı taşımasına katkıda bulunan 1 pikosaniyenin altına kadar.
Β-zn4SB3 Tek kristal bir κ elde ederL 300-600 K aralığında yaklaşık 0.36 w/m · k ve 623 K’da 1.0 zirve termoelektrik liyakat (ZT) figürü, cihaz seviyesi testi, tek ayaklı bir termoelektrik modülde% 1.4’lük bir dönüşüm verimliliğini (η) gösterir-4SB3.
TEM yoluyla yapısal karakterizasyonlar, Zn konsantrasyon varyasyonlarına atfedilen eşit olarak dağıtılmış Moiré saçaklarına sahip tane sınırsız bir kafes ortaya çıkarır.
Bu nano ölçekli özellikler, elektronik performansı bozmadan fonon saçılmasını daha da artırır. Polikristalin numunelerle karşılaştırıldığında, tek kristal, daha az kusur ve optimize edilmiş taşıyıcı hareketliliği nedeniyle önemli ölçüde daha iyi elektrik iletkenliği sergiler.
Hsin-Jay Wu, “Bu keşif, ısı akışının kıt kaynaklara bağlı olarak daha verimli ve sürdürülebilir enerji teknolojileri tasarlamak için nasıl tasarlanabileceğini gösteriyor.” Diyor.
