Termoelektriska enheter är mycket mångsidiga, med förmågan att omvandla värme till el, och el till värme. De är små, lättvikt, och extremt hållbara eftersom de inte har några rörliga delar, vilket är anledningen till att de har använts för att driva NASAs rymdfarkoster på långvariga uppdrag, inklusive rymdsonderna Voyager som lanserades 1977.

Eftersom tillförsel av en elektrisk ström till en termoelektrik får laddade partiklar att diffundera från materialets varma sida till deras kalla sida, de används i stor utsträckning i kylapplikationer för att dra värme ur system, som i värmepumpar, fiberoptiska enheter, och bilbarnstolar – och för att kontrollera temperaturen på batteripaket. Processen är också reversibel och kan effektivt återvinna "spillvärme" för att generera användbar el från heta ytor, såsom ett fordons avgasrör.

Trots deras mångsidighet och tillförlitlighet, att använda termoelektrisk teknik i många applikationer är fortfarande en utmaning, på grund av deras relativt höga kostnad och ineffektivitet jämfört med konventionella kraft- och värme- eller kylsystem. För maximal effektivitet, termoelektrik måste vara både bra ledare av elektricitet och dålig ledare av värme - egenskaper som sällan finns i samma material.

Ingenjörer från Duke University använder kalla (lägre energi) neutronspridningstekniker vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att studera atomers vibrationsrörelser, kallas "fononer, " vilket är hur värme fortplantar sig genom termoelektriska material. Genom att förstå hur fononer rör sig och sprids inom termoelektriken, forskarna hoppas kunna kontrollera fonon- och elektrontransporter för att förbättra den elektriska ledningsförmågan samtidigt som värmeflödet minimeras.

"Vi använder neutroner för att studera termoelektriska material, eftersom vi kan ställa in deras energier för att matcha den lägre energin hos fononerna, som ger en högre upplösning, sa Tyson Lanigan-Atkins, en Ph.D. student på Duke, i en grupp som arbetar under Olivier Delaire, docent i maskinteknik och materialvetenskap. "Neutroner gör det också möjligt för oss att bedriva forskning i mer komplexa provmiljöer, som den anpassade inkapslingen vi använder i en miljö med hög temperatur."

Bland de termoelektriska materialen som användes i experimenten var en enda kristall av blyselenid, som var en av de första legeringarna som undersöktes och kommersialiserades för termoelektriska generatorer. Forskarna var intresserade av materialets strukturella fasövergång vid höga temperaturer, på grund av den unika kopplingen mellan elektroniska vibrationer och gittervibrationer i systemet, och inverkan denna övergång har på värmeledningsförmågan.

Medan de genomförde sin forskning vid den kalla neutrontrippelaxliga spektrometern (CTAX) neutronstrållinje vid ORNL:s högflödesisotopreaktor (HFIR), forskarna behövde anpassa stora kristaller till en grad eller två från varandra. De stötte på flera tekniska utmaningar när de designade sitt experiment, inklusive utveckling av en provhållare för att korrekt placera de inkapslade kristallerna i neutronstrålen.

"Materialet blir väldigt instabilt - i huvudsak börjar det avdunsta - under vakuumförhållanden och i vanliga gasmiljöer, vilket vanligtvis är hur vi utför högtemperaturexperiment, sa Jennifer Niedziela, en vibrationsspektroskopist i ORNL:s Nuclear Science and Engineering-direktorat och tidigare postdoktor i Delaires grupp. "Förutse dessa frågor, vi kapslade in proverna i kvartskapslar för att upprätthålla en kontrollerad atmosfär runt provet, vilket gjorde det möjligt för oss att studera fonondynamiken. Detta belyser en annan fördel med neutronspridning genom att vi kan lägga mycket material i neutronstrålens väg, som kvarts, ull, och ledningar, och fortfarande se signalerna som intresserar oss."

Utformningen av provhållaren gick igenom flera iterationer för att säkerställa att forskarna kunde värma provet säkert. De rådfrågade experter på ORNL glasbutik, som gjorde kvartskapseln, och provmiljölaboratoriet, såväl som experter på högtemperaturmaterial, för att säkerställa att de kunde designa en hållare som skulle uppfylla forskarnas mål. Varje hållare måste utformas för att hålla kristallen i en fast orientering och passa inom ett relativt litet område i högtemperaturprovmiljön. Om provet skulle flytta, de riskerade att kortsluta ugnen och få den att stängas av.

Tidigare försök att lösa akustiska fononlinjebredder under 1,0 milli-elektronvolt (meV) var inte framgångsrika på grund av upplösningsgränserna för de använda neutroninstrumenten. Dock, de kalla neutronerna som levereras av CTAX-strållinjen är väl lämpade för högupplöst mätning av gitterdynamik i kristallina fasta ämnen som har ett högt signal-brusförhållande, såsom termoelektriska material. "Med hjälp av trippelaxelspektrometern vid CTAX, vi fick utmärkta data om linjebredden för akustiska fononer under 1,0 meV i en högtemperaturregim, sa Niedziela.

Neutronspridningsmätningarna gjorde det möjligt för Duke-forskargruppen att få unika, kraftfulla insikter om mikroskopiska värmetransportfenomen i material som är viktiga för energitillämpningar.