Bakır Selenid (Cu₂se), ısıyı elektriğe dönüştürme termoelektrik yeteneği için bilimsel ilgi çekiyor, ancak atom seviyesi anlayış eksikliği onlarca yıl boyunca pratik uygulamalarını sınırladı.
Michigan Üniversitesi mühendisleri ve Avrupalı ortak çalışanlar tarafından geliştirilen yeni bir hesaplama çerçevesi, kristal yapı içindeki elektronik özellikleri ve atomik titreşimleri doğru bir şekilde hesaplar. Fiziksel İnceleme Mektupları.
UM’de Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Doktora öğrencisi ve çalışmanın baş yazarı Yuxuan Wang, “Bir düğüm gibi birbirine karışan çok fazla etki var, ancak yeni yöntemimiz her birini düşük hesaplama maliyetleriyle ayrı ayrı ayırıyor.” Dedi.
Bu bulgular, nükleer enerji santrallerinde veya araba egzozlarında atık ısıdan elektrik hasat edebilen termoelektrik cihazların geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Termoelektrikler her iki yönde de çalıştığı için – bir elektrik akımını uygulamak bir sıcak ve bir soğuk taraf oluşturur – copper selenid, gürültülü türbin, fan, pompalar veya piston olmayan geleneksel sistemlerden daha verimli ve sessiz çalışan ısıtıcılara veya buzdolaplarına güç verebilir.
Tek giriş ve çıkış olarak ısı ve elektrikle, bu termoelektrik cihazlar tehlikeli emisyonları serbest bırakmaz ve bakır selenidin kendisi diğer termoelektrik bileşiklere kıyasla toksik olmayan ve nispeten boldur.
Hesaplamalı bir baş ağrısı
Bakır selenidin modellenmesi özellikle zordur, çünkü bakır iyonları süperyoniktir, yani katı içinde sıvı benzeri hareketlilikle atlarlar. Sabit bakır iyon hareketi dinamik, asimetrik bir yapı yaratır.
Geleneksel hesaplama yöntemleri, tüm kristalin yapısını ve özelliklerini tahmin etmek için küçük bir atom grubunu modelleyerek kristal simetrisini kullanır. Ancak bakır Selenide’in mobil iyonları sayısız olası atomik konfigürasyon yaratarak hesaplamaları oldukça pahalı hale getiriyor. Bu geleneksel yöntemler ayrıca sıcaklık etkilerini (termal titreşimler) temel kuantum davranışından ayırmaya çalışır.
Bu nedenlerden dolayı, bakır Selenide özelliklerinin teorik tahminleri deneysel ölçümlerle eşleşmez. Hesaplamalı modeller bakır selenid bir metal olması gerektiğini öngörürken, deneyler bir yarı iletken gibi davrandığını gösterir.
Araştırmacılar ayrıca elektriksel iletkenliği belirleyen bant boşluğunu ve termal iletkenliği etkileyen durumların fonon yoğunluğu olarak bilinen atomik titreşim paternlerini doğru bir şekilde hesaplayamadılar. Fononlar, malzeme titreşiminin kuantum birimleridir.
Mobil bakır atomlarının modellenmesi
Araştırma ekibi, bakır atomlarının materyal içinde nasıl hareket ettiğini veya yerinden edildiğini tahmin etmek için yeni çerçeveyi inşa etti. Bakır atom yer değiştirmelerinin mesafesini ve yönünü ve sıcaklıkla nasıl değiştiklerini tahmin etmek için matematiksel denklemleri kullanan Anharmonic Özel Yer Değiştirme Yöntemi’ne (ASDM) dayanır.
Bakır atomlarının belirli bir sıcaklıkta benimseyeceği termodinamik ortalamalı pozisyonları hesaplayarak, model bakır Selenid’in davranışını yüzlerce yerine sadece bir hesaplama enstantanesi kullanarak yakalar ve hesaplama verimliliğini artırır. Yöntem karmaşık dinamik hareketleri yarı statik bir resme dönüştürür.
Yeni yarı-statik çerçeve, simülasyonu her sıcaklıktaki bakır iyonlarının pozisyonlarını hesaplayarak süperyonik malzemeleri daha doğru ve uygun fiyatlı hale getirir.
“Yarı statik polimorf çerçeve” ile modelleme, bakır selenidin bir yarı iletken olduğunu doğru bir şekilde tahmin etti ve bant boşluğunun artan sıcaklık ile nasıl daraldığını, deneysel gözlemlerle nasıl daraldığını doğru bir şekilde yeniden üretti.
Yeni model, bakır selenidde ısı iletimi hakkında onlarca yıl süren bir tartışmanın çözülmesine yardımcı oldu. Termoelektrik malzemeler elektrikli iyi davranmalı ve sıcaklık farklarını korumak için ısıyı kötü bir şekilde yapmalıdır, ancak araştırmacılar bakır iyon hareketinin düşük termal iletkenlik nasıl yarattığı konusunda anlaşamadılar.
Emmanouil Kioupakis, Materyal Bilimi ve Mühendisliği Profesörü ve mühendisliğinde, bu faktörlerin düşük termal iletkenliğe veya anharmonik titreşimlerin düşük termal iletkenliğe neden olmasını beklerken, bu faktörler sadece küçük etkilere katkıda bulunuyor.
Bakır iyonunun piramit içindeki titreşimleri “aşırı derecede”, yani ısıyı taşımak için organize bir dalga benzeri hareket oluşturmak yerine, kaotik hareketleri bunun yerine ısı taşıyan fononları saçar.
UM’de malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Pierre Ferdinand Poudeu, “Bu yeni hesaplama çerçevesi, sessiz buzdolaplarından katı hal pillere ve cihazlara kadar, atık ısıyı elektriğe dönüştürmek için çeşitli enerji uygulamaları için daha verimli süperyonik malzemeleri simüle etmeye ve tasarlamaya yardımcı olacak.” Dedi.
Université de Rennes bu araştırmaya da katkıda bulundu.
