Högpresterande termoelektriska material som omvandlar spillvärme till el kan en dag vara en källa till mer hållbar kraft. Men de måste vara mycket effektivare innan de kan vara effektiva i stor skala på platser som kraftverk eller militärbaser, säger forskare.

En forskare vid University of Michigan har tagit ett steg mot det målet. Genom att konstruera ett halvledande material på nivå med sina individuella atomer, Pierre Ferdinand P.Poudeu, biträdande professor i materialvetenskap och teknik, har ökat sin förmåga att omvandla värme till kraft med 200 procent och dess elektriska konduktivitet med 43 procent. Det är en viktig kombination. Att förbättra båda dessa siffror samtidigt är en stor utmaning för forskare som arbetar inom området.

Materialet Poudeu använde är en legering av titan, zirkonium, nickel och tenn. Även om det inte är ett särskilt effektivt termoelektriskt material vid denna tidpunkt, Poudeu säger att det gjorde en bra testbädd.

"Det här konceptet är nytt och spännande, "Poudeu sa." Vi tror att det också kan anpassas till andra material och bana väg för förbättrade termoelektriska material avsedda för högpresterande energiomvandlingsapplikationer.

"Om vi ​​vill bygga generatorer som omvandlar spillvärme till el och som kan ersätta nuvarande teknik, termoelektriska material med mycket högre effektivitet måste upptäckas. Vi kommer att behöva dubbla den effektivitet som vanligtvis uppnås idag. "

Poudeu säger att hans nanotekniska tillvägagångssätt skulle kunna uppnå dessa vinster om det kan användas i nuvarande ledande kandidat termoelektriska materialsystem.

Hans strategi skiljer sig från vanliga kemikaliebaserade tekniker som dopning, där forskare lägger till orenheter i ett värdmaterial för att ändra dess elektroniska egenskaper och göra det mer ledande. I termoelektriska material, dopning kan motverka sig själv, dock, eftersom orenheterna kan hämma värme-till-el-omvandlingen.

Istället för att lägga till föroreningar, som vanligtvis är främmande kemiska element, Poudeu introducerade ytterligare individuella atomer av nickel - ett av elementen som redan finns i materialet. Nickelatomerna tog sig in i värdmaterialets kristallstruktur och fyllde ut en liten bråkdel av dess lediga atomplatser. De bildade vad Poudeu beskriver som kvantprickar - nanoskala strukturer som följer kvantitetslagarna, snarare än klassisk, fysik.

Strukturerna är så små, du måste rada upp en miljon bara för att kunna se dem utan mikroskop, Säger Poudeu.

Kvantprickarna fungerar som fällor, blockerar lågenergie-elektroner från att minska konverteringseffektiviteten, samtidigt som man skapar en väg för elektroner med högre energi att passera som elektrisk ström. Tillägget av kvantprickarna till en halvledare i bulk resulterar i ett nytt material med en distinkt elektronisk struktur, Säger Poudeu.

Tidningen har rubriken "Stora förbättringar av värmekraft och bärarmobilitet i Quantum Dot Engineered Bulk Semiconductors." Det publiceras online i Journal of the American Chemical Society och kommer att visas i en kommande tryckupplaga.