På senare år har energiförbrukningen i utvecklade länder har varit ganska slösaktig. Nästan två tredjedelar av den totala energin slängs vanligtvis ut i miljön som "spillvärme, " vilket slutar med att bidra till den globala uppvärmningen. Att hitta ett sätt att produktivt använda denna värme har varit i framkant av varje materialforskares prioritet.

Ett av de olika möjliga sätten att återvinna denna spillvärme som elektricitet är att använda vad som kallas "termoelektrisk omvandling" - en process som använder temperaturskillnad i halvledare för att direkt omvandla till elektrisk spänning. Termoelektriska enheter inkluderar halvledare av p-typ och n-typ med två typer av laddningsbärare, dvs elektron och hål. Halvledarna av p-typ och n-typ är seriekopplade för att producera en stor termoelektrisk spänning. Därför, det är nödvändigt att utveckla både p-typ och n-typ halvledare med hög termoelektrisk omvandlingseffektivitet.

Ett speciellt halvledarmaterial som forskare nyligen har riktat sin uppmärksamhet mot är tennmonoselenid (SnSe), som enligt uppgift uppvisar världens högsta termoelektriska konverteringsprestandaindex ZT-värde. Dock, SnSe är oförmögen att kontrollera laddningsbärartypen med lätthet. Doping med alkalijoner förbättrar termoelektrisk prestanda av p-typ, men alkalijonerna är flyktiga och diffusiva element, och är inte lämpliga för högtemperaturapplikationer. Tillsätt vismut och jod för att göra det n-typ, å andra sidan, resulterar i låga elektronkoncentrationer.

I en ny studie publicerad i Avancerade funktionella material , ett team av forskare från Tokyo Tech, Japan, ledd av prof. Takayoshi Katase upptäckte att när den dopades med antimon (Sb), SnSe, betecknas som (Sn _1-x Sb _x )Se, uppvisar en märklig växling av ledningstyp. Specifikt, teamet observerade att vid låga dopningskoncentrationer, (Sn _1-x Sb _x )Se började med ledning av p-typ men bytte till n-typ med ökande dopning, och bytte slutligen tillbaka till p-typ för höga koncentrationer. De utarbetade analyserna och beräkningarna avslöjade en intressant omkopplingsmekanism av laddningstyp som, laget hittade, har att göra med fördelningen av Sb-substitutionsställen mellan Sn och Se. De tillskrev detta bytesbeteende till ett byte av större Sb-ersättningsplats från Se (Sb _Se ) till Sn (Sb _Sn ) med ökande doping.

Forskare förklarade att vid mycket låga Sb-koncentrationer, ledningen av p-typ uppstår enbart på grund av hål som tillhandahålls av Sn vakans. Men när dopningen ökar, Sb _Sn börjar donera elektroner medan Sb _Se bildar ett "orenhetsband" som tillåter ledning genom det, vilket resulterar i det observerade beteendet av n-typ. Dock, när dopingnivån stiger ytterligare, Ferminivån närmar sig mellangapnivån som ligger mellan Sb _Se föroreningsband och ledningsband minimum, vilket resulterar i ledning av p-typ.

Med sådana anmärkningsvärda insikter att erbjuda, resultaten är utan tvekan en potentiell spelförändring för SnSe. Dock, Prof. Takase förutser en ännu bredare räckvidd. "Nu när vi förstår mekanismen i polaritetsväxlingen av Sb-dopad SnSe, vi kan hoppas att optimera bulksyntesprocessen för att ytterligare förbättra dess termoelektriska prestanda och, i tur och ordning, realisera högpresterande termoelektriska konverteringsenheter med det, " antar prof. Katase.

Vad mer, forskarna förväntar sig också att den doping-site-switching-baserade polaritetskontrollen kommer att bli mer mångsidig i framtiden och kan tillämpas på andra halvledarmaterial vars bärartyper är svåra att kontrollera annars. Vi hoppas att detta leder till en framtid där spillvärme inte längre är ett slöseri!