Et forskerteam har opdaget, hvordan man laver et lovende energihøstmateriale meget mere effektivt-uden at stole på sjældne eller dyre elementer. Materialet, kaldet ß-zn4Sb3er en telluriumfri termoelektrisk forbindelse, der kan omdanne affaldsvarme til elektricitet.
I deres undersøgelse offentliggjort i Avanceret videnskabforskere brugte avancerede neutronspredningsteknikker til at kigge inde i krystallen og fandt noget overraskende: små varmevibrationer (kaldet fononer) blev forstyrret af “skrammel” atomer inde i strukturen. Dette fænomen, kendt som Phonon, undgik krydsning, bremsede dramatisk, hvordan varme bevæger sig gennem materialet.
Takket være denne effekt faldt materialets termiske ledningsevne til ekstremt lave niveauer – store nyheder for termoelektrisk ydeevne. Endnu bedre fandt forskerne, at den enkelt-krystalversion af dette materiale også udfører elektricitet bedre end dets polykrystallinske modstykke og når en højeffektkonverteringseffektivitet på 1,4%.
Disse resultater viser, at smart phonon-kontrol kan føre til højtydende, miljøvenlige materialer til konvertering af varme til magten.
I termoelektriske materialer henviser undgåelse af krydset til samspillet mellem forplantning af fononer og lokaliserede vibrationsmetoder, hvor deres energidispersioner afviser hinanden snarere end krydser hinanden. Dette fænomen forekommer under specifikke forhold, såsom krystalsymmetrier eller vibrationsmodus -koblinger.
Men da forskere udviklede den enkelt-krystal ß-zn4Sb3de observerede en uventet, undgået krydsning og afslørede unik fononopførsel, der afviger fra konventionelle termoelektriske materialer.
Artiklen udforsker den termoelektriske ydelse af enkeltkrystallinsk ß-zn4Sb3et telluriumfrit materiale ved at afdække de mikroskopiske mekanismer, der fører til dets ultralow gitter termisk ledningsevne (κL).
Ved hjælp af inelastisk neutronspredning (INS) tilvejebringer forskerne den første eksperimentelle observation af undgåelse af krydsning mellem langsgående akustiske fononer og ranglende tilstande med lav energi. Denne interaktion forårsager en signifikant reduktion i fonongruppens hastighed – fra over 4000 m/s til ca. 591 m/s – og forkorter fonon -levetiden til under 1 picosekund, som begge bidrager til stærkt undertrykt varmetransport.
Ss-zn4Sb3 Enkelt krystal opnår en κL på ca. 0,36 W/M · K i området 300–600 K og en toptermoelektrisk fortjeneste (ZT) på 1,0 ved 623 K. Derudover viser enhedsniveau-test en konverteringseffektivitet (η) på 1,4% i et enkelt-ben termoelektrisk modul-en af den højeste rapporterede for ikke-opholdt ZN4Sb3.
Strukturelle karakteriseringer via TEM afslører en korn-grænsefri gitter med ensartet fordelt Moiré-frynser, der tilskrives Zn-koncentrationsvariationer.
Disse nanoskala har yderligere forbedret fononspredning uden nedværdigende elektronisk ydeevne. Sammenlignet med polykrystallinske prøver udviser den enkelte krystal signifikant bedre elektrisk ledningsevne på grund af færre defekter og optimeret bærermobilitet.
“Denne opdagelse viser, hvordan varmestrøm kan konstrueres til at designe mere effektive og bæredygtige energiteknologier-uden afhængigt af knappe ressourcer,” siger professor Hsin-Jay Wu.