Termoelektriska material anses vara en nyckelresurs för framtiden - kunna producera el från värmekällor som annars skulle gå till spillo, från kraftverk, fordonsavgasrör och på andra ställen, utan att generera ytterligare växthusgaser. Även om ett antal material med termoelektriska egenskaper har upptäckts, de flesta producerar för lite kraft för praktiska tillämpningar.
Ett team av forskare - från universitet över hela USA och Kina, såväl som Oak Ridge National Laboratory - rapporterar en ny mekanism för att öka prestanda genom högre mobilitet för bärare, ökar hur snabbt laddningsbärande elektroner kan röra sig över materialet. Arbetet, rapporterade denna vecka i Proceedings of the National Academy of Science , fokuserat på ett nyligen upptäckt magnesium-antimonmaterial av n-typ med en relativt hög termoelektrisk värdesiffra, men huvudförfattaren Zhifeng Ren sa att konceptet också kan gälla andra material.
"När du förbättrar rörligheten, du förbättrar elektrontransport och övergripande prestanda, sa Ren, M.D. Anderson Ordförande professor i fysik vid University of Houston och huvudforskare vid Texas Center for Superconductivity vid UH.
Termoelektriska material producerar elektricitet genom att utnyttja flödet av värmeström från ett varmare område till ett svalare område, och deras effektivitet beräknas som ett mått på hur väl materialet omvandlar värme till kraft. Dock, eftersom spillvärme är både en riklig och gratis källa till bränsle, omvandlingshastigheten är mindre viktig än den totala mängden energi som kan produceras, sa Ren. Det har fått forskare att leta efter sätt att förbättra effektfaktorn hos termoelektriska material.
Paul Ching-Wu Chu, TLL Temple ordförande för vetenskap, grundare och chefsforskare för Texas Center for Superconductivity, noterade att Ren tidigare hade visat vikten av ett materials effektfaktor för att bestämma hur väl det kommer att fungera i en termoelektrisk enhet. Chu är medförfattare till detta senaste verk, vilket han sa "visar i de n-typ magnesium-antimonbaserade materialen att effektfaktorn verkligen kan förbättras genom att korrekt ställa in bärarspridningen i materialet."
"Det ger en ny väg till mer kraftfulla termoelektriska enheter, " han lade till.
Termoelektriska halvledare finns i två varianter, n-typ, skapas genom att ersätta ett element vilket resulterar i en "fri" elektron för att bära laddningen, och p-typ, där det ersättande elementet har en elektron mindre än det element som det ersatte, lämnar ett "hål" som underlättar förflyttning av energi när elektronerna rör sig över materialet för att fylla den lediga platsen.
Arbetet redovisas i PNAS adresserar behovet av en mer kraftfull n-typ magnesium-antimonförening, utöka sin potential som ett termoelektriskt material som kan paras med ett effektivt magnesium-antimonmaterial av p-typ, som tidigare rapporterats.
Materialets kraftfaktor kan ökas genom att öka bärarmobiliteten, sa forskarna. "Här rapporterar vi en avsevärd förbättring av bärarmobilitet genom att ställa in bärarspridningsmekanismen i n-typ Mg3Sb2-baserade material, " skrev de. "... Våra resultat visar tydligt att strategin att ställa in bärarspridningsmekanismen är ganska effektiv för att förbättra rörligheten och bör även kunna tillämpas på andra materialsystem."
Forskarna ersatte en liten del av magnesium i föreningen med en mängd olika övergångsmetallelement, inklusive järn, kobolt, hafnium och tantal, för att avgöra hur man bäst kan öka transportörens rörlighet och, genom det, materialets kraftfaktor.
"Vårt arbete, "Forskarna drar slutsatsen, "visar att bärarspridningsmekanismen kan spela en viktig roll i materialets termoelektriska egenskaper, och konceptet med att ställa in bärarspridningsmekanismen bör vara allmänt tillämpbart på en mängd olika materialsystem."
