Banbrytande vetenskap är ofta resultatet av verkligt samarbete, med forskare inom en mängd olika områden, synpunkter och erfarenheter som samlas på ett unikt sätt. En sådan ansträngning av forskare från Clemson University har lett till en upptäckt som kan förändra hur vetenskapen om termoelektrik går framåt.

Forskarassistent Prakash Parajuli; forskningsassistent professor Sriparna Bhattacharya; och Clemson Nanomaterials Institute (CNI) grundande direktör Apparao Rao (alla medlemmar av CNI i College of Sciences institution för fysik och astronomi) arbetade med ett internationellt team av forskare för att undersöka ett mycket effektivt termoelektriskt material på ett nytt sätt – genom att använda ljus.

Deras forskning har publicerats i tidskriften Avancerad vetenskap och har titeln "Hög zT och dess ursprung i Sb-dopade GeTe-enkristaller."

"Termoelektriska material omvandlar värmeenergi till användbar elektrisk energi; därför, det finns ett stort intresse för material som kan omvandla det mest effektivt, sa Parajuli

Bhattacharya förklarade att nyckeln till att mäta framsteg på fältet är meritvärdet, noteras som zT, som är starkt beroende av egenskaperna hos termoelektriska material. "Många termoelektriska material uppvisar en zT på 1-1,5, vilket också beror på temperaturen på det termoelektriska materialet. Först nyligen har material med en zT på 2 eller högre rapporterats."

"Detta väcker frågan, hur många fler sådana material kan vi hitta, och vilken är den grundläggande vetenskapen som är ny här genom vilken en zT större än 2 kan uppnås?" Rao tillade. "Grundforskning är fröet från vilket tillämpad forskning växer, och för att ligga i framkant inom termoelektrik slog vi oss ihop med professor Yang Yuan Chens team vid Academia Sinica, Taiwan. "

Chen och Raos team fokuserade på Germanium Telluride (GeTe), ett enkristallmaterial.

"GeTe är av intresse, men vanlig GeTe utan dopning visar inga spännande egenskaper, " sa Bhattacharya. "Men när vi väl lägger till lite antimon till det, det visar bra elektroniska egenskaper, samt mycket låg värmeledningsförmåga."

Medan andra har rapporterat GeTe-baserade material med hög zT, dessa var polykristallina material. Polykristaller har gränser bland de många små kristaller som de är bildade av. Även om sådana gränser gynnsamt hindrar värmeöverföring, de maskerar ursprunget till grundläggande processer som leder till hög zT.

"Här, vi hade rena och dopade GeTe-enkristaller vars termoelektriska egenskaper inte har rapporterats, "Sa Bhattacharya." Därför, vi kunde utvärdera de inneboende egenskaperna hos dessa material som annars skulle vara svåra att tyda i närvaro av konkurrerande processer. Detta kan vara den första GeTe-kristallen med antimondopning som visade dessa unika egenskaper - främst den ultralåga värmeledningsförmågan."

Denna låga värmeledningsförmåga kom som en överraskning, eftersom materialets enkla kristallina struktur bör tillåta värme att flyta lätt genom hela kristallen.

"Elektroner bär värme och elektricitet, så om du blockerar elektronerna, du har ingen el, " sade Parajuli. "Därför, nyckeln är att blockera värmeflödet genom de kvantiserade gittervibrationerna som kallas fononer, samtidigt som elektronerna kan flöda."

Doping av GeTe med rätt mängd antimon kan maximera elektronflödet och minimera värmeflödet. Denna studie visade att närvaron av 8 antimonatomer för varje 100 GeTe ger upphov till en ny uppsättning fononer, som effektivt minskar värmeflödet som bekräftades både experimentellt och teoretiskt.

Laget, tillsammans med medarbetare som odlade kristallerna, utförde elektroniska och termiska transportmätningar förutom beräkningar av densitetstjänster för att hitta denna mekanism på två sätt:först, genom modellering, använda värmeledningsförmågan; andra, genom Raman -spektroskopi, som sonderar fononerna i ett material.

"Detta är en helt ny vinkel för termoelektrisk forskning, "Sa Rao." Vi är på det sättet en pionjär - avkodning av värmeledningsförmåga i termoelektrisk med ljus. Det vi hittade med ljus stämde väl överens med vad vi hittade genom termiska transportmätningar. Framtida forskning inom termoelektrik bör använda ljus – det är en mycket kraftfull oförstörande metod för att belysa värmetransport i termoelektrik. Du lyser på provet, och samla in information. Du förstör inte provet."

Rao sa att medarbetarnas breda expertis var nyckeln till deras framgång. I gruppen ingick Fengjiao Liu, en före detta Ph.D. student vid CNI; Rahul Rao, Forskningsfysiker vid Air Force Research Laboratory, Wright-Patterson flygvapenbas; och Oliver Rancu, en gymnasieelev vid South Carolina Governor's School for Science and Mathematics som arbetade med teamet genom Clemsons SPRI-program (Summer Program for Research Interns). På grund av pandemin, teamet arbetade med Rancu via Zoom, guidar honom med några av Parajulis beräkningar med hjälp av en alternativ Matlab-kod.

"Jag är så tacksam för möjligheten att få arbeta med CNI -teammedlemmarna i sommar, sade Rancu, som kommer från Anderson, South Carolina. "Jag har lärt mig så mycket om både fysik och forskningserfarenhet i allmänhet. Det var verkligen ovärderligt, och den här forskningspublikationen är bara ytterligare ett tillägg till en redan fantastisk upplevelse."

"Jag blev väldigt imponerad av Oliver, "Tillade Parajuli." Han tog snabbt tag i de nödvändiga ramarna för teorin. "