Termoelektriska material är beroende av rörelsen hos laddningsbärare (elektroner eller hål) och värmebärare (fononer) för att generera elektricitet. Effektiviteten av denna omvandlingsprocess bestäms av två nyckelfaktorer:den elektriska konduktiviteten och den termiska konduktiviteten. Idealiskt bör ett bra termoelektriskt material ha hög elektrisk ledningsförmåga för att underlätta laddningstransport samtidigt som det har låg värmeledningsförmåga för att minimera värmeförlusten.
Men att uppnå denna balans kan vara utmanande. I de flesta material leder en ökning av den elektriska ledningsförmågan ofta till en ökning av värmeledningsförmågan också. Denna avvägning är känd som Wiedemann-Franz-lagen.
Föroreningar kan bryta denna korrelation genom att införa ytterligare spridningsmekanismer för fononer, värmebärarna. När fononer möter dessa föroreningar störs deras rörelse, vilket minskar den termiska konduktiviteten. Samtidigt kan närvaron av föroreningar öka den elektriska ledningsförmågan genom att introducera nya energitillstånd som underlättar transporten av laddningsbärare.
Detta koncept med föroreningsteknik har framgångsrikt demonstrerats i olika termoelektriska material. Till exempel, i det brett studerade materialet vismuttellurid (Bi2Te3), har införandet av små mängder föroreningar som selen (Se) eller antimon (Sb) visat sig avsevärt förbättra dess termoelektriska prestanda.
Dessa föroreningar introducerar resonanta tillstånd nära Fermi-nivån, vilket förbättrar den elektriska ledningsförmågan genom att öka densiteten hos tillgängliga laddningsbärare. Dessutom sprider föroreningarna fononer, vilket minskar värmeledningsförmågan. Som ett resultat förbättras den totala termoelektriska verkningsgraden för Bi2Te3.
Ett annat exempel på framgångsrik föroreningsteknik är tillsatsen av sällsynta jordartsmetaller som ytterbium (Yb) eller erbium (Er) till blytellurid (PbTe). Dessa föroreningar introducerar lokala elektroniska tillstånd som förbättrar den elektriska ledningsförmågan, medan deras tunga atommassa bidrar till fononspridning, vilket minskar värmeledningsförmågan.
Genom att noggrant välja och kontrollera typen och koncentrationen av föroreningar kan forskare skräddarsy egenskaperna hos termoelektriska material på atomnivå och uppnå en delikat balans mellan elektrisk ledningsförmåga och värmeledningsförmåga. Detta tillvägagångssätt lovar mycket för utvecklingen av högpresterande termoelektriska material för effektiva energiomvandlingstillämpningar, såsom spillvärmeåtervinning och bärbar kraftgenerering.
Sammanfattningsvis kan föroreningar, som ofta uppfattas som skadliga, verkligen vara fördelaktiga när det kommer till termoelektriska material. Genom att introducera specifika föroreningar på atomnivå kan forskare förbättra den elektriska ledningsförmågan samtidigt som de minskar den termiska ledningsförmågan, vilket i slutändan förbättrar den totala termoelektriska effektiviteten hos dessa material. Detta koncept med föroreningsteknik öppnar spännande vägar för design och optimering av nästa generations termoelektriska enheter.
