Thermo-elektrische materiaaltechnologie kan binnen een materiaalconstructie tussen warmte en elektriciteit omzetten, maar veel bestaande materialen bevatten zeldzame of giftige elementen. In een nieuwe studie over Wetenschap , Wenke He en collega's rapporteerden het temperatuurafhankelijke samenspel tussen drie afzonderlijke elektronische banden in met gaten gedoteerde tinsulfide (SnS) kristallen. Het materiaalgedrag maakte synergetische optimalisatie mogelijk tussen effectieve massa (m ^* ) en dragermobiliteit (µ), die het onderzoeksteam een ​​boost gaf door selenium (Se) te introduceren.

Door Se te legeren, ze verhoogden de arbeidsfactor van de materialen van ongeveer 30 tot 53 microwatt per centimeter per vierkante Kelvin (µWcm ⁻¹ K ⁻² bij 300 K) en verlaagde de thermische geleidbaarheid. Het onderzoeksteam behaalde een maximale verdienste ZT (ZT _max ) ongeveer 1,6 bij 873 K en een gemiddelde ZT (ZT _ave ; dimensieloos cijfer van verdienste) ongeveer 1,25 tussen 300 K en 837 K binnen SnS _0,91 Se _0,09 Kristallen. De onderzoekers introduceerden een strategie voor het manipuleren van obligaties, die een andere route bood om de thermo-elektrische prestaties te optimaliseren. De hoogwaardige SnS-kristallen die in het werk werden gebruikt, vormden een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van goedkope, aarde overvloedige en milieuvriendelijke thermo-elektriciteit.

Thermo-elektrische technologie maakt de omkeerbare conversie tussen thermische energie en elektriciteit mogelijk om een ​​milieuvriendelijke route voor energieopwekking te bieden. Het proces kan plaatsvinden door het oogsten van restwarmte of door koeling in vaste toestand. Materiaalwetenschappers en natuurkundigen hebben de conversie-efficiëntie van thermo-elektrische technologie bepaald met behulp van de dimensieloze figuur van verdienste (ZT) voor een bepaald thermo-elektrisch materiaal. De parameters die de conversie-efficiëntie van thermo-elektrische technologie bepalen, zijn met elkaar verweven, waardoor de manipulatie van een enkele parameter om de thermo-elektrische prestaties te verbeteren een uitdaging wordt. Onderzoekers hadden al verschillende strategieën bedacht om ZT's te verbeteren, door vermogensfactoren te optimaliseren via bandconvergentie, band afvlakking of dichtheid van toestanden vervorming.

Wetenschappers kunnen thermo-elektrische parameters ontkoppelen door magnetische nanodeeltjes in te bedden en de thermische geleidbaarheid met nanostructuren te verminderen. Materiaalwetenschappers hebben ook geheel nieuwe materialen ontwikkeld met een intrinsiek lage thermische geleidbaarheid of met een grote arbeidsfactor, of met hoogwaardige thermo-elektriciteit afkomstig van betrouwbare materiaalafscherming met hoge doorvoer. Hoogwaardige thermo-elektrische materialen worden doorgaans veel bestudeerd in groep IV-VI-halfgeleiders. De toevoeging van SnSe (Tinselenide) aan de groep is veelbelovend aangezien thermo-elektrische materialen deze elementen niet bevatten. Verder, SnSe heeft eigenschappen van een hoge ZT naast meerdere valentiebanden en driedimensionale (3D) lading en 2D fonontransport.

De SnS-verbinding is een structurele analoog van SnSe en er wordt voorspeld dat het ook een aantrekkelijke thermo-elektrische kandidaat is. Hoewel de lagere kosten en aardse overvloed aan S (zwavel) aantrekkelijk zijn voor zuinige wetenschap en grootschalige commerciële toepassingen, de lage mobiliteit van de drager kan ertoe leiden dat slechte elektrische transporteigenschappen hoge thermo-elektrische prestaties belemmeren. In het huidige werk, Hij et al. onderzocht daarom de thermo-elektrische potentialen van SnS-kristallen door hun bandstructuur te manipuleren, omdat het onderzoeksteam eerder ook het vermogen had aangetoond om de dragermobiliteit van SnS-kristallen te vergroten. Aangezien S nogal reactief was met contactmaterialen, het was belangrijk om in de toekomst een diffusiebarrière te ontwikkelen.

In het huidige werk, het onderzoeksteam synthetiseerde SnS _1-x Se _x kristallen met behulp van een temperatuurgradiëntmethode om de rol van Se in de verbinding te onderzoeken. Het team verkreeg temperatuurafhankelijke elektronische bandstructuren met behulp van dichtheidsfunctietheorieberekeningen (DFT) op basis van atomaire posities, die ze hebben afgeleid met behulp van hoge-temperatuur-synchrotronstraling Röntgendiffractie (SR-XRD) -gegevens. Met behulp van de DFT-berekeningen en hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopiemetingen (ARPES), het team bevestigde drie afzonderlijke elektronische bandinteracties. Ze bevorderden het uitstekende samenspel van gedrag van de elektronische banden door S te vervangen door Se om de effectieve massa (m .) met succes te optimaliseren ^* ) en effectieve mobiliteit (µ) binnen het materiaal. Ze verbeterden de arbeidsfactor (PF) van 30 naar 53 µWcm ^-1 K ^-2 bij 300 K. Het team bevestigde Se-substitutie met behulp van aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) en X-ray-absorptie-fijne-structuurspectroscopie (XAFS). Met behulp van inelastische neutronenverstrooiing (INS), Hij et al. toonde aan dat typische fononen (akoestische golven) werden verzacht door Se-substitutie en verder werden gekoppeld aan akoestische takken voor een lagere thermische geleidbaarheid.

De resultaten impliceerden verder dat de elektrische geleidbaarheid verbeterde als gevolg van verbeterde mobiliteit van de drager na legering van 9 procent Se. Het onderzoeksteam observeerde een gecombineerde toename van de elektrische geleidbaarheid en een grote Seebeck-coëfficiënt (thermo-elektrische gevoeligheid) om een ​​PF (vermogensfactor) van ongeveer 53 µWcm te verkrijgen ^-1 K ^-2 bij 300 K voor de SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 Kristallen. De waarden waren hoger dan die van andere thermo-elektrische materialen in de verbindingen van groep IV tot VI. Het onderzoeksteam illustreerde schematisch de dynamische evolutie van de drie valentiebanden en de energie-offset daartussen als functie van de temperatuur. Dan door Se te introduceren, Hij et al. bevorderde het samenspel van de drie valentiebanden die verantwoordelijk zijn voor het optimaliseren van de effectieve massa en mobiliteit (m ^* en µ); waar het verlagen van m ^* resulteerde in een verbetering van µ.

Hij et al. gebruikte ook ARPES (hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopiemetingen) om de elektrische bandstructuur van SnS-kristallen te observeren. Ze plotten drie valentiebanden langs verschillende richtingen en hun relatieve energieniveaus in de 3-D Brillouin-zone (een theoretische zone). De wetenschappers voerden vervolgens röntgenabsorptie-fijne-structuurspectroscopie (XAFS) uit op SnS _1-x Se _x kristallen om de Se-substitutie te begrijpen. Hun werk toonde aan dat voor SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 Kristallen, het X-ray Absorptie Near Edge Structure (XANES) spectrum bevatte drie hoofdkenmerken. Het onderzoeksteam reproduceerde alle drie de belangrijkste experimentele kenmerken met behulp van een gesimuleerd spectrum en een Se-substitutiemodel. Ze observeerden de succesvolle introductie van Se in het SnS-rooster voor alle SnS _1-x Se _x Kristallen.

Het team gebruikte STEM high-angle ringar dark-field (HAADF) om een ​​contrastbeeld te produceren en Se-substituties op atomaire schaal te bekijken op S-sites binnen SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 Kristallen. Ze verkregen structurele modi en elektronendiffractiepatronen voor SnS en SnSe in halterachtige atomaire arrangementen. De abnormale helderheid op de S-sites duidde op Se-substituties. Ze combineerden een uitzonderlijk hoge arbeidsfactor (PF) en een lage thermische geleidbaarheid om een ​​maximale ZT (ZT _max ), voor de SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 Kristallen. Hij et al. toonde goede thermo-elektrische stabiliteit voor de hoogwaardige kristallen, waar de kristallen uitstekende stabiliteit vertoonden na bestraling met neutronen gedurende 432 uur. Een dergelijke stralingsweerstand is belangrijk voor thermo-elektrische radio-isotopengeneratoren voor verkenning van de diepe ruimte.

Vergeleken met andere thermo-elektrische materialen van groep IV-VI, SnS-materialen waren veel beter in vergelijking met toxiciteit en elementaire overvloed. De onderzoekers verwachten de contactmaterialen voor SnS tijdens elementaire substitutie verder te optimaliseren om in de toekomst een hogere experimentele efficiëntie te verkrijgen met lage kosten en hoge prestaties. Op deze manier, Wenke He en collega's gebruikten SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 kristallen om uitgebreid het grote potentieel voor concurrerende, grootschalige toepassingen in thermo-elektrische materiaaltechnologie.

© 2019 Wetenschap X Netwerk