Tinselenide zou de efficiëntie van de huidige recordhoudende thermo-elektrische materialen van bismuttelluride aanzienlijk kunnen overtreffen. Echter, men dacht dat de efficiëntie ervan alleen dramatisch toenam bij temperaturen boven de 500 graden Celsius. Nu tonen metingen bij de BESSY II- en PETRA IV-synchrotronbronnen aan dat tinselenide ook kan worden gebruikt als thermo-elektrisch materiaal bij kamertemperatuur, zolang er maar hoge druk wordt uitgeoefend.

Het thermo-elektrisch effect is al sinds 1821 bekend:bij bepaalde combinaties van materialen, een temperatuurverschil genereert een elektrische stroom. Als een uiteinde van het monster wordt verwarmd, bijvoorbeeld door gebruik te maken van restwarmte van een verbrandingsmotor, dan kan een deel van deze anders verloren energie worden omgezet in elektrische energie. Echter, het thermo-elektrisch effect in de meeste materialen is extreem klein. Dit komt omdat om een ​​groot thermo-elektrisch effect te bereiken, warmtegeleiding moet slecht zijn, terwijl de elektrische geleidbaarheid hoog moet zijn. Echter, warmtegeleiding en elektrische geleidbaarheid zijn bijna altijd nauw met elkaar verbonden.

Om deze reden, de zoektocht naar thermo-elektrische materialen concentreert zich op verbindingen met speciale kristallijne structuren zoals bismuttelluride (Bi ₂ Te ₃ ). Bismuttelluride is een van de beste tot nu toe bekende thermo-elektrische materialen. Echter, zowel bismut als tellurium zijn zeldzame elementen, die hun grootschalig gebruik beperken. Dus de zoektocht gaat door naar geschikte thermo-elektrische materialen tussen meer overvloedige niet-toxische elementen.

Zes jaar geleden, een onderzoeksteam uit de VS ontdekte dat tinselenide boven de 500 graden Celsius ongeveer 20 procent van de warmte kan omzetten in elektrische energie. Dit is een enorme efficiëntie en overtreft aanzienlijk de waarde voor bismuttelluride. In aanvulling, tin en selenium zijn er in overvloed.

Dit extreem grote thermo-elektrische effect houdt verband met een faseovergang of herschikking van de kristalstructuur van tinselenide. De kristalstructuur van tinselenide bestaat uit vele lagen, vergelijkbaar met filodeeg of bladerdeeg. Bij 500 graden Celsius, de lagen beginnen zichzelf te organiseren en de warmtegeleiding neemt af, terwijl ladingdragers mobiel blijven. De efficiëntie van het thermo-elektrische effect in deze kristallografische oriëntatie van tinselenide is tot op heden door geen enkel ander materiaal overtroffen.

Hogedruk werkt

Een internationaal team onder leiding van dr. Ulrich Schade van de HZB heeft nu uitgebreid monsters van tinselenide onderzocht met behulp van infraroodspectroscopie bij BESSY II en harde röntgenstralen bij PETRA IV. De metingen laten zien dat de gewenste kristalstructuur wordt geproduceerd door ofwel hoge temperatuur bij normale druk of hoge druk (boven 10 GPa) bij kamertemperatuur. De elektronische eigenschappen veranderen ook van halfgeleidend naar semi-metaalachtig in de hoge-temperatuurstructuur. Dit past bij de voorspellingen van theoretische berekeningen van het model en ook van bandstructuurberekeningen.

"We kunnen met onze gegevens en onze berekeningen uitleggen waarom tinselenide zo'n uitstekend thermo-elektrisch materiaal is over een breed temperatuur- en drukbereik, ", zegt Schade. Verdere ontwikkelingswerkzaamheden zullen nodig zijn om de stabiliteit op lange termijn te garanderen, bijvoorbeeld, voordat thermo-elektrische apparaten op basis van tinselenide echt op de markt komen, Hoewel. Dan zou tinselenide een economisch en gemakkelijk verkrijgbaar alternatief kunnen worden voor bismuttelluride.