I sökandet efter lösningar på allt värre miljöproblem, som utarmningen av fossila bränslen och klimatförändringar, många har vänt sig till termoelektriska materials potential för att generera kraft. Dessa material uppvisar vad som kallas den termoelektriska effekten, vilket skapar en spänningsskillnad när det finns en temperaturgradient mellan materialets sidor. Detta fenomen kan utnyttjas för att producera el med hjälp av den enorma mängd spillvärme som mänsklig aktivitet genererar, som från bilar och värmekraftverk, vilket ger ett miljövänligt alternativ för att tillfredsställa våra energibehov.

Magnesiumsilicid (Mg ₂ Si) är ett särskilt lovande termoelektriskt material med en hög "meritgrad" (ZT) - ett mått på dess omvandlingsprestanda. Även om forskare tidigare noterat att doping Mg ₂ Si med en liten mängd föroreningar förbättrar dess ZT genom att öka dess elektriska ledningsförmåga och minska dess värmeledningsförmåga, de underliggande mekanismerna bakom dessa förändringar var okända – fram till nu.

I en nyligen genomförd gemensam studie publicerad som en utvald artikel i Bokstäver i tillämpad fysik , forskare från Tokyo University of Science (TUS), Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), och Shimane University, Japan, gick ihop för att avslöja mysterierna bakom den förbättrade prestandan hos Mg ₂ Si dopad med antimon (Sb). Dr. Masato Kotsugi från TUS, vem är motsvarande författare till studien, förklarar deras motivation:"Även om det har visat sig att Sb-föroreningar ökar ZT av Mg ₂ Si, de resulterande förändringarna i den lokala strukturen och elektroniska tillstånd som orsakar denna effekt har inte belysts experimentellt. Denna information är avgörande för att förstå mekanismerna bakom termoelektriska prestanda och förbättra nästa generations termoelektriska material. "

Men hur kunde de analysera effekterna av Sb-föroreningar på Mg ₂ Si på atomnivå? Svaret ligger i analys av utökad röntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS) och hårdröntgenfotoelektronspektroskopi (HAXPES), som Dr. Masato Kotsugi och Tomoyuki Kadono, vem är första författare till studien, förklara:"EXAFS tillåter oss att identifiera den lokala strukturen runt en exciterad atom och har stark känslighet mot utspädda element (föroreningar) i materialet, som kan identifieras exakt genom fluorescensmätningar. Å andra sidan, HAXPES låter oss direkt undersöka elektroniska tillstånd djupt inne i materialet utan oönskad påverkan från ytoxidation." Sådana kraftfulla tekniker, dock, utförs inte med utrustning som körs. Experimenten utfördes på SPring-8, en av världens viktigaste stora röntgensynkrotronstrålningsanläggningar, med hjälp av Dr Akira Yasui och Dr Kiyofumi Nitta från JASRI.

Forskarna kompletterade dessa experimentella metoder med teoretiska beräkningar för att belysa de exakta effekterna av föroreningarna i Mg ₂ Si. Dessa teoretiska beräkningar utfördes av Dr. Naomi Hirayama från Shimane University. "Att kombinera teoretiska beräkningar med experiment är det som gav unika resultat i vår studie, " hon säger.

Forskarna fann att Sb-atomer tar platsen för Si-atomer i Mg ₂ Si kristallgitter och introducera en liten förvrängning i de interatomära avstånden. Detta kan främja ett fenomen som kallas fononspridning, vilket minskar materialets värmeledningsförmåga och i sin tur ökar dess ZT. Dessutom, eftersom Sb-atomer innehåller en mer valenselektron än Si, de tillhandahåller effektivt ytterligare laddningsbärare som överbryggar gapet mellan valens- och ledningsbanden; med andra ord, Sb-föroreningar låser upp energitillstånd som underlättar det energihopp som krävs av elektroner för att cirkulera. Som ett resultat, den elektriska ledningsförmågan hos dopad Mg ₂ Si ökar, och så gör dess ZT.

Denna studie har avsevärt fördjupat vår förståelse av dopning i termoelektriska material, och resultaten bör fungera som vägledning för innovativ materialteknik. Dr. Tsutomu Iida, ledande forskare i studien, säger:"I min framtidsvision, spillvärme från bilar omvandlas effektivt till el för att driva ett miljövänligt samhälle." vi kanske bara är ett steg närmare att uppfylla denna dröm.