Ett team av fysiker från Clemson University bestående av nanomaterialforskare Apparao Rao och Ramakrishna Podila och termoelektriker Terry Tritt, Jian He och Pooja Puneet arbetade synergistiskt genom det nyinrättade Clemson Nanomaterials Center för att utveckla en ny teknik för att skräddarsy termoelektriska egenskaper hos n-typ vismuttellurid för hög termoelektrisk prestanda.

Deras resultat publicerades i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

Den nuvarande amerikanska energiekonomin och miljön hotas alltmer av snabbt minskande inhemska reserver av fossilt bränsle i kombination med allvarlig miljöpåverkan från förbränning av fossila bränslen. Högeffektiva termoelektriska anordningar förväntas ge ren energiteknik som behövs i timmen för hållbar energi i USA. Denna forskning är ett steg mot att optimera enhetens prestanda eftersom den beskriver en metod för att övervinna en utmaning som har "frustrerat" termoelektriska forskare hittills.

Termoelektriska (TE) enheter omvandlar spillvärme till elektricitet genom ett unikt material som kallas Seebeck-effekten. I grund och botten, Seebeck-effekten resulterar i en spänning över de två ändarna av ett TE-material, liknande spänningen som finns över de två ändarna av ett AA-batteri, när TE-materialet är korrekt exponerat för spillvärmen. I sådana enheter, effektiviteten av att omvandla värme till elektricitet styrs av vissa starkt kopplade materialegenskaper, nämligen., elektrisk resistans, Seebeck koefficient, och värmeledningsförmåga. En funktionell TE-enhet består av flera ben som består av material av p-typ och n-typ, precis som en diod består av en p-n-övergång.

Vismut telluride (Bi2Te3) är ett skiktat material och kan ses som en kortlek, varvid varje kort bara är några få atomer tjockt. Bi2Te3 anses för närvarande vara det toppmoderna TE-materialet med hög effektivitet för att omvandla spillvärme till el, och är därför attraktiv för energiutvinningsprocesser.

Traditionella metoder för nanostorlek misslyckades med att förbättra prestandan hos n-typ Bi2Te3 eftersom de helt enkelt nedgraderar alla materialegenskaper samtidigt. Därför, Clemson-forskare och kollegor utvecklade en ny metod för nanosizing där vi först skalar n-typ Bi2Te3 till atomärt tunna ark (liknande grafen som är en atoms tjocka kolatomer) och sätter ihop dem med en gnistplasmasintringsprocess.

Forskarna fann att den ovan beskrivna tvåstegsprocessen att först separera kortleken i individuella kort och sedan återmontera dem till en kortlek via gnistplasmasintring gör det möjligt för oss att på lämpligt sätt skräddarsy materialegenskaperna för n-typ Bi2Te3 för hög TE prestanda. I detta tillvägagångssätt, de så kallade "gränssnittsladdade defekterna" genereras i sintrade n-typ Bi2Te3 som inte bara förbättrar dess strukturella egenskaper utan också dess termoelektriska effektivitet över ett brett temperaturfönster, vilket gör den extremt kompatibel med p-typ Bi2Te3 för tillverkning av effektiva TE-enheter.

Den förbättrade kompatibilitetsfaktorn (visas i detta dokument) förväntas öppna nya möjligheter för högeffektiva TE-enheter. Det fascinerande och anmärkningsvärda inslaget i denna forskning är att defekter, som ofta innebär orenheter och är förknippade med låg prestanda eller effektivitet, kan verkligen användas för att justera materialens egenskaper till vår fördel.

Dagens forskarsamhälle saknar en heltäckande förståelse av defekter, främst på grund av frånvaron av metoder som kontrollerbart kan generera och manipulera defekter. Framtiden för denna forskning kommer att vara inriktad på att utveckla verktyg för att generera och studera defekter på en grundläggande nivå, vilket i sin tur gör det möjligt för forskarna att optimera materialegenskaperna hos inte bara TE-material utan också för en ny klass av tvådimensionella material bortom Nobelpriset. -vinnande grafen för energigenerering och lagring.