Enligt forskare står spillvärme, som kommer in i miljön och förblir oanvänd, för mer än 70 % av den globala energiförbrukningsförlusten. Med hjälp av termoelektriska material – speciella halvledare – kan den avledda värmen omvandlas till elektricitet. Termoelektriska material kan också användas för att designa kylanordningar, som minskar energiförbrukningen i hushålls- och industriapplikationer.
Att söka efter dessa material är en av nyckeluppgifterna för modern materialvetenskap. Ett team av forskare från Skoltech, Emanuel Institute of Biochemical Physics RAS, samt andra ledande vetenskapliga organisationer i Ryssland och Israel studerade hur tillsats av föroreningar till blytellurid (PbTe), ett termoelektriskt material, kan påverka dess mekaniska egenskaper och utöka tjänsten livslängden för en termoelektrisk generator. Artikeln har publicerats i Applied Physics Letters .
"Blytellurid används på gasledningar i Yamal-regionen för att säkerställa driften av sensorer. Det är omöjligt att lägga kraftledningar där, och dieselmotorer kräver konstant övervakning. Istället används små rör med brinnande gas för att ge värme. termoelektriskt material, värmen från den brinnande gasen omvandlas till elektricitet, vilket är tillräckligt för att sensorerna ska fungera", säger Ilya Chepkasov, ledande författare till studien, senior forskare vid Skoltechs Energy Transition Center.
Materialet har också några nackdelar:Det kan försämras när det kommer i kontakt med material som har en annan värmeutvidgningskoefficient. Enkel försämring kan bero på dopning, vilket är processen att tillföra föroreningar till kristallstrukturen i en halvledare för att ändra dess elektriska och termoelektriska egenskaper och göra konduktiviteten kontrollerad och förutsägbar.
Det finns två typer av halvledardopning. N-typ dopning resulterar i en halvledare med elektroner som huvudladdningsbärare. Dopning av P-typ producerar en halvledare, där huvudrollen i laddningsöverföringen tillskrivs de så kallade "hålen" - platser som uppträder i en elektronisk bindning efter att elektronen lämnar. De har en positiv laddning och beter sig som positiva partiklar.
Forskare har visat att den kemiska bindningen i n-typ PbTe försvagas när de lossande orbitalerna fylls upp. Som ett resultat blir materialet mer formbart och, med termisk expansion, är risken för nedbrytning lägre än i p-typen.
"Beroende på typ av dopning kan materialets mekaniska egenskaper variera på olika sätt. I n-typ PbTe påverkar koncentrationen av dopningsmedel något de mekaniska egenskaperna. I p-typ PbTe finns en betydande ökning av dess hårdhet Vi studerade orsaken till detta beteende och fann att dopning av n-typ resulterar i en extra elektron på den lossande omloppsbanan ett ömtåligare material", tillade Chepkasov.
De nya resultaten kommer att hjälpa till att välja ett dopmedel som kommer att förbättra de mekaniska egenskaperna hos blytellurid och öka hållbarheten hos en termoelektrisk generator. Forskningen var en del av den ryska vetenskapsakademins anslag nr 19-72-30043 med titeln "Laboratoriet för datordesign av nya material." Projektet syftar till att utveckla nya beräkningsmetoder som avsevärt kommer att förbättra kapaciteten för datorförutsägelse av material, med hänsyn till så komplexa faktorer som temperatur och korrelationseffekter.
Mer information: Ilya V. Chepkasov et al, Ursprunget till sprött beteende hos dopade PbTe-baserade termoelektriska material, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0185002
Journalinformation: Tillämpade fysikbrev
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
