Tennselenid kan avsevärt överstiga effektiviteten hos nuvarande rekordhållande termoelektriska material tillverkade av vismuttellurid. Dock, man trodde att dess effektivitet ökade dramatiskt endast vid temperaturer över 500 grader Celsius. Nu visar mätningar vid BESSY II och PETRA IV synkrotronkällor att tenn selenid också kan användas som termoelektriskt material vid rumstemperatur - så länge högt tryck appliceras.

Den termoelektriska effekten har varit känd sedan 1821:med vissa kombinationer av material, en temperaturskillnad genererar en elektrisk ström. Om ena änden av provet värms upp, till exempel att använda spillvärme från en förbränningsmotor, då kan en del av denna annars förlorade energi omvandlas till elektrisk energi. Dock, den termoelektriska effekten i de flesta material är extremt liten. Detta beror på att för att uppnå en stor termoelektrisk effekt, värmeledningen måste vara dålig, medan elektrisk konduktivitet måste vara hög. Dock, värmeledning och elektrisk konduktivitet är nästan alltid nära associerade.

Av denna anledning, sökandet efter termoelektriska material koncentrerar sig på föreningar med speciella kristallina strukturer som vismuttellurid (Bi ₂ Te ₃ ). Vismut tellurid är ett av de bästa termoelektriska materialen som hittills är kända. Dock, både vismut och tellur är sällsynta element, som begränsar deras storskaliga användning. Så sökningen fortsätter efter lämpliga termoelektriska material bland mer rikliga giftfria element.

Sex år sedan, en forskargrupp från USA upptäckte att tenn selenid över 500 grader Celsius kan omvandla cirka 20 procent av värmen till elektrisk energi. Detta är en enorm effektivitet och överstiger betydligt värdet för vismut tellurid. Dessutom, tenn och selen är rikligt.

Denna extremt stora termoelektriska effekt är relaterad till en fasövergång eller omarrangemang av kristallstrukturen av tennselenid. Kristallstrukturen av tennselenid består av många lager, liknande filo eller smördeg. Vid 500 grader Celsius, lagren börjar organisera sig själv och värmeledningen minskar, medan laddningsbärare förblir mobila. Effektiviteten av den termoelektriska effekten i denna kristallografiska orientering av tennselenid har inte överskridits av något annat material hittills.

Högtryck fungerar

Ett internationellt team under ledning av Dr Ulrich Schade vid HZB har nu utförligt undersökt prover av tenn selenid med hjälp av infraröd spektroskopi vid BESSY II och hårda röntgenstrålar vid PETRA IV. Mätningarna visar att den önskade kristallstrukturen alstras av antingen hög temperatur vid normalt tryck eller högt tryck (över 10 GPa) vid rumstemperatur. De elektroniska egenskaperna ändras också från halvledande till halvmetalliska i högtemperaturstrukturen. Detta passar förutsägelserna från teoretiska beräkningar av modellen och även från bandstrukturberäkningar.

"Vi kan förklara med våra data och våra beräkningar varför tenn selenid är ett så enastående termoelektriskt material över ett brett temperatur- och tryckintervall, "säger Schade. Ytterligare utvecklingsarbete kommer att vara nödvändigt för att garantera långsiktig stabilitet, till exempel, innan termoelektriska enheter baserade på tennselenid verkligen kommer ut på marknaden, fastän. Då kan tenn selenid bli ett ekonomiskt och lättillgängligt alternativ till vismut tellurid.