Termoelektrisk materialteknik kan konvertera mellan värme och elektricitet inom en materialkonstruktion, men många befintliga material innehåller sällsynta eller giftiga ämnen. I en ny studie om Vetenskap , Wenke He och kollegor rapporterade det temperaturberoende samspelet mellan tre separata elektroniska band i håldopade tennsulfidkristaller (SnS). Materialbeteendet möjliggjorde synergistisk optimering mellan effektiv massa (m ^* ) och bärarrörlighet (µ), vilket forskargruppen lyfte genom att introducera selen (Se).

Genom att legera Se, de förbättrade materialens effektfaktor från cirka 30 till 53 mikrowatt per centimeter per kvadrat Kelvin (µWcm ⁻¹ K ⁻² vid 300 K) och sänkte den termiska konduktiviteten. Forskargruppen erhöll ett maximalt meritvärde ZT (ZT _max ) ungefär 1,6 vid 873 K och en genomsnittlig ZT (ZT _ave ; dimensionslös värdesiffra) ungefär 1,25 mellan 300 K till 837 K inom SnS _0,91 Se _0,09 kristaller. Forskarna introducerade en strategi för obligationsmanipulation, som erbjöd en annan väg för att optimera termoelektriska prestanda. De högpresterande SnS-kristallerna som användes i arbetet representerade ett viktigt steg mot att utveckla låg kostnad, jord riklig och miljövänlig termoelektrik.

Termoelektrisk teknologi möjliggör inverterbar omvandling mellan termisk energi och elektricitet för att tillhandahålla en miljövänlig väg för elproduktion. Processen kan ske genom skörd av spillvärme eller genom kylning i fast tillstånd. Materialforskare och fysiker har bestämt omvandlingseffektiviteten för termoelektrisk teknik med hjälp av den dimensionslösa meritvärdet (ZT) för ett givet termoelektriskt material. Parametrarna som bestämmer omvandlingseffektiviteten för termoelektrisk teknik är sammanflätade, gör manipuleringen av en enskild parameter för att förbättra termoelektrisk prestanda till en utmaning. Forskare hade redan utarbetat flera strategier för att förbättra ZTs, genom att optimera effektfaktorer via bandkonvergens, bandutjämning eller distorsion av tillståndstäthet.

Forskare kan koppla bort termoelektriska parametrar genom att bädda in magnetiska nanopartiklar och minska värmeledningsförmågan med nanostrukturer. Materialforskare har också utvecklat helt nya material med inneboende låg värmeledningsförmåga eller med en hög effektfaktor, eller med högpresterande termoelektrik som kommer från pålitlig materialscreening med hög genomströmning. Högpresterande termoelektrik studeras vanligtvis brett över grupp IV-VI-halvledare. Tillägget av SnSe (tennselenid) till gruppen är lovande eftersom termoelektriska material inte innehåller dessa element. Vidare, SnSe har egenskaper hos en hög ZT tillsammans med flera valensband och tredimensionell (3-D) laddning och 2-D fonontransport.

SnS-föreningen är en strukturell analog av SnSe och förutspås också vara en attraktiv termoelektrisk kandidat. Medan den lägre kostnaden och mängden jord av S (svavel) är tilltalande för sparsam vetenskap och storskaliga kommersiella tillämpningar, den låga bärarrörligheten kan orsaka dåliga elektriska transportegenskaper för att hindra hög termoelektrisk prestanda. I detta arbete, Han et al. undersökte därför de termoelektriska potentialerna hos SnS-kristaller genom att manipulera deras bandstruktur, eftersom forskargruppen också tidigare visat förmågan att öka bärarmobiliteten hos SnS-kristaller. Eftersom S var ganska reaktiv med kontaktmaterial, det var viktigt att utveckla en diffusionsbarriär i framtiden.

I detta arbete, forskargruppen syntetiserade SnS _1-x Se _x kristaller med hjälp av en temperaturgradientmetod för att undersöka rollen av Se i föreningen. Teamet erhöll temperaturberoende elektroniska bandstrukturer med hjälp av densitetsfunktionsteoriberäkningar (DFT) baserade på atompositioner, som de härledde med hjälp av högtemperatursynkrotronstrålningsröntgendiffraktionsdata (SR-XRD). Med hjälp av DFT-beräkningar och vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi (ARPES), teamet bekräftade tre separata elektroniska bandinteraktioner. De främjade det enastående beteendesamspelet mellan de elektroniska banden genom att ersätta S med Se för att framgångsrikt optimera den effektiva massan (m) ^* ) och effektiv rörlighet (µ) i materialet. De förbättrade effektfaktorn (PF) från 30 till 53 µWcm ^-1 K ^-2 vid 300 K. Teamet bekräftade Se-substitution med användning av aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) och röntgenabsorptionsfinstrukturspektroskopi (XAFS). Använda oelastisk neutronspridning (INS), Han et al. visade att typiska fononer (akustiska vågor) mjukades upp genom Se-substitution och ytterligare kopplades till akustiska grenar för lägre värmeledningsförmåga.

Resultaten antydde vidare att den elektriska ledningsförmågan förbättrades på grund av förbättrad bärarmobilitet efter legering av 9 procent Se. Forskargruppen observerade en kombinerad ökning av elektrisk ledningsförmåga och en stor Seebeck-koefficient (termoelektrisk känslighet) för att ge en PF (effektfaktor) på ungefär 53 µWcm ^-1 K ^-2 vid 300 K för SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 kristaller. Värdena var högre än för andra termoelektriska material i grupp IV till VI föreningar. Forskargruppen illustrerade schematiskt den dynamiska utvecklingen av de tre valensbanden och energiförskjutningen mellan dem som en funktion av temperaturen. Sedan genom att introducera Se, Han et al. främjade samspelet mellan de tre valensbanden som är ansvariga för att optimera den effektiva massan och rörligheten (m ^* och u); där sänkning m ^* resulterade i att µ förbättrades.

Han et al. använde även ARPES (vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopimätningar) för att observera den elektriska bandstrukturen hos SnS-kristaller. De plottade tre valensband längs olika riktningar och deras relativa energinivåer i 3D Brillouin-zonen (en teoretisk zon). Forskarna genomförde sedan röntgenabsorptionsfinstrukturspektroskopi (XAFS) på SnS _1-x Se _x kristaller för att förstå Se-substitutionen. Deras arbete visade att för SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 kristaller, XANES-spektrumet (X-ray absorption near-edge structure) innehöll tre huvuddrag. Forskargruppen reproducerade alla tre stora experimentella funktionerna med hjälp av ett simulerat spektrum och en Se-substitutionsmodell. De observerade det framgångsrika införandet av Se i SnS-gittret för alla SnS _1-x Se _x kristaller.

Teamet använde STEM högvinkel ringformigt mörkt fält (HAADF) för att producera en kontrastbild och se Se-substitutioner i atomskala på S-platser inom SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 kristaller. De erhöll strukturella lägen och elektrondiffraktionsmönster för SnS och SnSe i hantelliknande atomarrangemang. Den onormala ljusstyrkan på S-ställena indikerade Se-substitutioner. De kombinerade exceptionellt hög effektfaktor (PF) och låg värmeledningsförmåga för att generera en maximal ZT (ZT) _max ), för SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 kristaller. Han et al. visade god termoelektrisk stabilitet för högpresterande kristaller, där kristallerna visade utmärkt stabilitet efter neutronbestrålning under 432 timmar. Sådant bestrålningsmotstånd är viktigt för termoelektriska radioisotopgeneratorer för utforskning av rymden.

Jämfört med andra termoelektriska material i grupp IV-VI, SnS-material var vida överlägsna i förhållande till toxicitet och elementär överflöd. Forskarna förväntar sig att ytterligare optimera kontaktmaterial för SnS under elementär substitution för att erhålla högre experimentell effektivitet med låg kostnad och hög prestanda i framtiden. På det här sättet, Wenke He och kollegor använde SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 kristaller för att i stor utsträckning visa den stora potentialen för konkurrenskraft, storskaliga tillämpningar inom termoelektrisk materialteknik.

© 2019 Science X Network