Genom att dopa ett termoelektriskt material med små mängder svavel, ett team av forskare har hittat en ny väg till stora förbättringar av materialens effektivitet för uppvärmning och kylning av fast tillstånd och återvinning av avfallsenergi. Detta tillvägagångssätt förändrar väsentligt materialets elektroniska bandstruktur-vismut-telluridselenid-förbättrar den så kallade "meritfiguren, "en rangordning av materialets prestanda som bestämmer effektivitet i applikationer och öppnar dörren för avancerade tillämpningar av termoelektriska material för att skörda spillvärme från kraftverk till datorchips.

"Det här är ett spännande genombrott eftersom det gör att vi kan avveckla två ogynnsamt kopplade egenskaper som begränsar termoelektrisk prestanda, "sade Ganpati Ramanath, en expert på nanomaterial, och John Tod Horton '52 professor i materialvetenskap och teknik vid Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), som ledde laget. "Dessutom, vårt tillvägagångssätt fungerar både för nanokristaller och för bulkmaterial, som är relevant för applikationer. "

Termoelektriska material kan omvandla en spänning till en termisk gradient-vilket gör att ena sidan av ett material blir varm eller kall-och vice versa. Effektiviteten med vilken ett material kan omvandla en spänning till en termisk gradient bestäms huvudsakligen av materialets värde. Toppmoderna termoelektriska material är inte särskilt effektiva, begränsa deras användning till nischapplikationer som picknick -kylskåp, hushållsvattenvärmare, bilbarnstols klimatkontroll och mörkerseende. Med en betydande förbättring av meriter, termoelektriska material kan användas för mer avancerade applikationer, som att skörda spillvärme i kraftverk och motorer, och kylning av datorchips.

"Sjuttio procent av all energiförlust är värme. Om vi ​​kan generera ännu 5 procent mer el från den spillvärmen, vi är på väg att göra stor inverkan på kraftproduktion och minskning av koldioxidutsläpp, "sa Theo Borca-Tasciuc, professor i maskinteknik vid Rensselaer och en nyckelmedlem i teamet, med expertis inom termisk fysik och system. "Termoelektrik kan också möjliggöra effektiv, kompakt, och modulära värmepumpsystem för att revolutionera luftkonditionering för applikationer i bilar och byggnader. "

Värdefiguren för ett termoelektriskt material beror på tre egenskaper:elektrisk konduktivitet - materialets förmåga att leda elektroner; Seebeck-koefficient-förmågan att korsomvandla el och värme; och värmeledningsförmåga - materialets förmåga att leda värme. För en hög förtjänst, ett material skulle ha hög elektrisk konduktivitet, hög Seebeck -koefficient, och låg värmeledningsförmåga. En barriär för att uppnå en hög merit är att elektrisk konduktivitet och Seebeck -koefficient har ett omvänt förhållande; en ökar den andra minskar.

"Genom att dopa vismut tellurid selenid med hundratals delar per miljon svavel, vi kan öka både elektrisk konduktivitet och Seebeck -koefficienten i nanokristaller såväl som bulkmaterial tillverkade av nanokristaller, "Sade Ramanath. Forskningen visar en upp till 80 procent ökning av meritmängden för bulkmaterialet." Större förbättringar kan vara möjliga med högre dopning eller användning av andra dopningsmedel. "

"Den stora utmaningen med att generera kraft med termoelektriska är hur man får högspänning och lågt motstånd samtidigt. Vårt arbete visar en ny och viktig väg framåt:vi måste optimera denna metod och omsätta den i praktiken, "sa David Singh, en professor vid University of Missouri vars teoretiska beräkningar ger en grund för att förklara de observerade resultaten i form av komplexa förändringar i den elektroniska bandstrukturen.

Forskningen är detaljerad i 11 maj, 2016, nätnummer av Avancerade material i artikeln "Utnyttja topologiska bandeffekter i vismut -telluridselenid för stora förbättringar av termoelektriska egenskaper genom isovalent dopning." Arbetet är ett samarbete mellan forskare vid Rensselaer, University of Missouri, och Max Planck Institute for Solid State Research i Tyskland. För detta arbete, Devender - den första författaren till tidningen och en doktorand vid Ramanath - fick ett Norman Stoloff -pris för forskarutbildning av institutionen för materialvetenskap och teknik vid Rensselaer. Devender arbetar för närvarande på GlobalFoundries Inc.

Ramanaths forskning exemplifierar arbetet på The New Polytechnic, hantera svåra och komplexa globala utmaningar, behovet av tvärvetenskapligt och sant samarbete, och användningen av de senaste verktygen och teknikerna, varav många är utvecklade på Rensselaer. Hans forskning fokuserar på nanomaterial och gränssnitt för applikationer inom elektronik och energi. Hans undersökningar inkluderar utveckling av nya typer av bulkmaterial och tunna filmer genom riktad syntes och montering, liksom skapandet av molekylärt skräddarsydda gränssnitt med nya eller unika egenskaper. Ramanaths senaste upptäckter inkluderar en ny klass av termoelektriska nanomaterial-inklusive den här nya varianten av svaveldopad vismut tellurid selenid-byggd från sammansättningar av skulpterade nanostrukturer för högeffektiv solid-state-kylning och elektricitetsavverkning från spillvärme, tillsammans med nanomolekylära lager av "nanoglue" som kan förena icke-vidhäftande material, hämmar kemisk blandning, och öka termotransporten.