(a) Tredimensionell kristallstruktur av YbSi2, (b) vy längs a-axeln, och (c) längs c-axeln. Upphovsman:2017 Kurosaki et al. Phys. Status Solidi RRL 2017, 1700372. doi:10.1002/pssr.201700372
Termoelektriska (TE) material kan spela en nyckelroll i framtida teknik. Även om tillämpningarna av dessa anmärkningsvärda föreningar länge har undersökts, de är mestadels begränsade till högtemperaturenheter. Nyligen, forskare vid Osaka University, i samarbete med Hitachi, Ltd., utvecklat ett nytt TE -material med en förbättrad effektfaktor vid rumstemperatur. Deras studie, publicerad i Physica Status Solidi RRL , kan hjälpa till att föra ut dessa material från nischen med hög temperatur och in i mainstream.
TE -material visar den termoelektriska effekten:applicera värme på ena sidan, och en elektrisk ström börjar flöda. Omvänt, köra en extern ström genom enheten, och en temperaturgradient bildas; d.v.s. den ena sidan blir varmare än den andra. Genom att omvandla värme och elektricitet, TE -material kan användas antingen som kraftgeneratorer (med värmekälla) eller som kylskåp (med strömförsörjning).
Det ideala TE -materialet kombinerar hög elektrisk konduktivitet, låta strömmen flöda, med låg värmeledningsförmåga, vilket förhindrar temperaturgradienten från kvällen ute. Effektgenereringens prestanda beror huvudsakligen på "effektfaktorn, "som är proportionell mot både elektrisk konduktivitet och en term som kallas Seebeck -koefficienten.
"Tyvärr, de flesta TE -material är ofta baserade på sällsynta eller giftiga element, "säger medförfattaren Sora-at Tanusilp." För att ta itu med detta, vi kombinerade kisel - vilket är vanligt i TE -material - med ytterbium, för att skapa ytterbiumsilicid [YbSi 2 ]. Vi valde ytterbium framför andra metaller av flera skäl. Först, dess föreningar är bra elektriska ledare. Andra, YbSi 2 är giftfri. Dessutom, denna förening har en specifik egenskap som kallas valensfluktuationer som gör den till ett bra TE -material vid låga temperaturer. "
Temperaturberoende för (a) Seebeck -koefficienten S, (b) elektrisk konduktivitet σ, (c) effektfaktor S 2 σ för YbSi 2 . De rapporterade uppgifterna för Bi 2 Te 3 -baserad legering visas som heldragna linjer för jämförelse. Upphovsman:2017 Kurosaki et al. Phys. Status Solidi RRL 2017, 1700372. doi:10.1002/pssr.201700372
Den första fördelen med YbSi 2 är att Yb -atomerna upptar en blandning av valenstillstånd, både +2 och +3. Denna svängning, även känd som Kondo -resonans, ökar Seebeck-koefficienten med att hålla metallliknande hög elektrisk konduktivitet vid låg temperatur, och därför effektfaktorn.
Andra, YbSi 2 har en ovanlig skiktad struktur. Medan Yb -atomerna upptar kristallplan som liknar ren Yb -metall, Si -atomerna bildar sexkantiga ark mellan dessa plan, liknar kolarken i grafit. Detta blockerar värmeledningen genom materialet, och håller därför värmeledningsförmågan nere, bevara temperaturgradienten. Forskarna tror att värmeledningen undertrycks ytterligare genom att styra strukturen i nanoskala och spår av föroreningar och andra defekter.
Resultatet är en uppmuntrande hög effektfaktor på 2,2 mWm -1 K -2 vid rumstemperatur. Detta är konkurrenskraftigt med konventionella TE -material baserade på vismuttellurid. Som motsvarande författare till denna studie förklarar Ken Kurosaki, "Användningen av Yb visar att vi kan förena de motstridiga behoven hos TE-material genom att noggrant välja rätt metaller. Rumstemperatur-TE, med måttlig kraft, kan ses som komplement till den konventionella högtemperaturen, enheter med hög effekt. Detta kan hjälpa till att låsa upp fördelarna med TE i vardagsteknik. "
