دستیابی به جهش عملکردی در مواد ترموالکتریک با ترکیب دو ماده ناهمگون

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان روشی هوشمندانه برای دو برابر کردن کارایی مواد ترموالکتریک - آنهایی که گرما را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند - با مخلوط کردن دو ماده با خواص مکانیکی متضاد، اما ویژگی‌های الکترونیکی مشابه یافته‌اند.

نتیجه ترکیبی است که گرما را در رابط‌های میکروسکوپی مسدود می‌کند و در عین حال اجازه می‌دهد الکتریسیته آزادانه جریان یابد و ما را به جایگزین‌های ارزان‌تر و پایدارتر برای مواد استاندارد طلایی امروزی که در اینترنت اشیا و فراتر از آن استفاده می‌شود، نزدیک‌تر می‌کند.

تقویت ترموالکتریک برای اینترنت اشیا

مواد ترموالکتریک می‌توانند مستقیماً گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند و به ویژه برای تأمین انرژی حسگر‌ها و دستگاه‌های کوچکی که «اینترنت اشیاء» را در حال رشد تشکیل می‌دهند مفید هستند. با این حال، بهبود کارایی آنها مدتهاست که یک چالش بوده است. برای افزایش عملکرد، این مواد باید دو کار را همزمان انجام دهند: جریان گرما را از طریق ارتعاشات اتمی در ساختار خود مسدود کنند، در حالی که اجازه می‌دهند بار‌های الکتریکی آزادانه حرکت کنند. دستیابی به هر دو تا کنون دشوار بوده است.

یک تیم تحقیقاتی به رهبری فابیان گرمرودی نوع جدیدی از مواد هیبریدی را توسعه داده‌اند که بر این مانع غلبه می‌کند. با ترکیب دو ماده با خواص مکانیکی بسیار متفاوت، اما ویژگی‌های الکترونیکی مشابه، آنها توانستند رسانایی گرما را کاهش دهند و در عین حال تحرک الکتریکی را افزایش دهند. نتایج در Nature Communications منتشر شد.

شکستن پارادوکس رسانایی با هیبرید‌های مواد

ماده ترموالکتریک ایده آل موادی است که الکتریسیته را به طور موثر هدایت می‌کند، اما گرما را مسدود می‌کند - دو کیفیتی که معمولاً دست به دست هم نمی‌دهند. اغلب هادی‌های الکتریکی خوب تمایل دارند گرما را به خوبی هدایت کنند.

فابیان گرمرودی، نویسنده اول، که دکترای خود را در پست ویودو کار می‌کند، توضیح می‌دهد: "در ماده جامد، گرما هم توسط حامل‌های شارژ متحرک و هم توسط ارتعاشات اتم‌های شبکه کریستالی منتقل می‌شود. در مواد ترموالکتریک، ما عمدتاً سعی می‌کنیم انتقال گرما را از طریق ارتعاشات شبکه سرکوب کنیم، زیرا آنها به تبدیل انرژی کمک نمی‌کنند. " آزمایشگاه ملی آلاموس (ایالات متحده آمریکا).

در طول چند دهه گذشته، دانشمندان روش‌های پیشرفته‌تری را برای کاهش رسانایی حرارتی مواد ایجاد کرده‌اند. این رویکرد هیبریدی جدید راه امیدوارکننده‌ای را برای افزایش عملکرد حتی بیشتر ارائه می‌دهد.

ساختار‌های ترکیبی ساخته شده در سطح میکروسکوپی

گرمرودی از اقامت تحقیقاتی خود در تسوکوبا (ژاپن) که به عنوان بخشی از کار خود در TU Wien به پایان رساند، با حمایت جایزه شیرها، توانستم مواد هیبریدی جدیدی را در مؤسسه ملی علوم مواد در ژاپن توسعه دهم که خواص حرارتی استثنایی از خود نشان می‌دهند.

به طور خاص، پودر آلیاژی از آهن، وانادیم، تانتالم و آلومینیوم (Fe ۲ V ۰.۹۵ Ta ۰.۱ Al ۰.۹۵) با پودر بیسموت و آنتیموان (Bi ۰.۹ Sb ۰.۱) مخلوط شد و تحت فشار و دمای بالا به یک ماده فشرده فشرده شد. با این حال، به دلیل خواص شیمیایی و مکانیکی متفاوت، این دو جزء در سطح اتمی با هم مخلوط نمی‌شوند. در عوض، ماده BiSb ترجیحاً در رابط‌های اندازه میکرومتر بین کریستال‌های آلیاژ FeVTaAl رسوب می‌کند.

رابط‌هایی که گرما را مسدود می‌کنند، اما الکتریسیته را تسریع می‌کنند

ساختار‌های شبکه‌ای دو ماده و بنابراین ارتعاشات شبکه‌ای مجاز مکانیکی کوانتومی آنها به قدری متفاوت است که ارتعاشات حرارتی را نمی‌توان به سادگی از یک کریستال به کریستال دیگر منتقل کرد؛ بنابراین انتقال حرارت در رابط‌ها به شدت مهار می‌شود. در عین حال، حرکت حامل‌های شارژ به دلیل ساختار الکترونیکی مشابه بدون مانع باقی می‌ماند و حتی در طول رابط‌ها شتاب قابل توجهی می‌یابد. دلیل: ماده BiSb به اصطلاح فاز عایق توپولوژیکی را تشکیل می‌دهد - کلاس خاصی از مواد کوانتومی که در داخل عایق هستند، اما انتقال بار تقریباً بدون تلفات را روی سطح امکان پذیر می‌کنند.

کارایی با مواد مهندسی کوانتومی دو برابر شد

این جداسازی هدفمند انتقال گرما و بار به تیم این امکان را داد که کارایی مواد را تا بیش از ۱۰۰ درصد افزایش دهند. گرمرودی می‌گوید: «این ما را گام بزرگی به هدفمان برای توسعه یک ماده ترموالکتریک که می‌تواند با ترکیبات تجاری موجود بر پایه بیسموت تلورید رقابت کند، نزدیک‌تر می‌کند». دومی در دهه ۱۹۵۰ توسعه یافت و امروزه هنوز به عنوان استاندارد طلایی ترموالکتریک در نظر گرفته می‌شود. مزیت بزرگ مواد هیبریدی جدید این است که به طور قابل توجهی پایدارتر و همچنین ارزان‌تر هستند.

مرجع: "انتقال بار و گرما جدا شده در ترموالکتریک کامپوزیت Fe۲VAl با شبکه‌های مرزی دانه‌های عایق توپولوژیکی" توسط فابیان گرمرودی، ایلیا سرهینکو، مایکل پارزر، سانیوکتا گوش، پاول زیولکوفسکی، گرگور اوپیتز، هیو دوی انگوین، الکساندر، هاتوریس، سِد، الکساندر، سباستین اشتایرر، گردا روگل، پیتر روگل، ارهارد شافلر، نائویوکی کاواموتو، اکهارد مولر، ارنست بائر، یوهانس دی بور و تاکائو موری، ۲۶ مارس ۲۰۲۵، Nature Communications.

DOI: ۱۰.۱۰۳۸/s۴۱۴۶۷-۰۲۵-۵۷۲۵۰-۶