In de zoektocht naar oplossingen voor steeds erger wordende milieuproblemen, zoals de uitputting van fossiele brandstoffen en klimaatverandering, velen hebben zich tot het potentieel van thermo-elektrische materialen gewend om energie op te wekken. Deze materialen vertonen wat bekend staat als het thermo-elektrische effect, die een spanningsverschil creëert wanneer er een temperatuurgradiënt is tussen de zijkanten van het materiaal. Dit fenomeen kan worden benut om elektriciteit te produceren met behulp van de enorme hoeveelheid afvalwarmte die menselijke activiteit genereert, zoals die van auto's en thermische centrales, daarmee een milieuvriendelijk alternatief bieden om aan onze energiebehoeften te voldoen.

Magnesiumsilicide (Mg ₂ Si) is een bijzonder veelbelovend thermo-elektrisch materiaal met een hoog "cijfer van verdienste" (ZT) - een maatstaf voor de conversieprestaties. Hoewel wetenschappers eerder opmerkten dat doping Mg ₂ Si met een kleine hoeveelheid onzuiverheden verbetert zijn ZT door zijn elektrische geleidbaarheid te vergroten en zijn thermische geleidbaarheid te verminderen, de onderliggende mechanismen achter deze veranderingen waren tot nu toe onbekend.

In een recente gezamenlijke studie gepubliceerd als een aanbevolen artikel in Technische Natuurkunde Brieven , wetenschappers van de Tokyo University of Science (TUS), het Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), en de Shimane-universiteit, Japan, werkten samen om de mysteries achter de verbeterde prestaties van Mg . te ontrafelen ₂ Si gedoteerd met antimoon (Sb). Dr. Masato Kotsugi van TUS, wie is de corresponderende auteur van de studie, legt hun motivatie uit:"Hoewel is vastgesteld dat Sb-onzuiverheden de ZT van Mg . verhogen ₂ Si, de resulterende veranderingen in de lokale structuur en elektronische toestanden die dit effect veroorzaken, zijn niet experimenteel opgehelderd. Deze informatie is van cruciaal belang om de mechanismen achter thermo-elektrische prestaties te begrijpen en de volgende generatie thermo-elektrische materialen te verbeteren."

Maar hoe konden ze de effecten van Sb-onzuiverheden op Mg . analyseren ₂ Si op atomair niveau? Het antwoord ligt in uitgebreide X-ray absorptie fijne structuur (EXAFS) analyse en harde X-ray foto-elektron spectroscopie (HAXPES), als Dr. Masato Kotsugi en Mr Tomoyuki Kadono, wie is de eerste auteur van de studie, uitleggen:"EXAFS stelt ons in staat om de lokale structuur rond een aangeslagen atoom te identificeren en heeft een sterke gevoeligheid voor verdunde elementen (onzuiverheden) in het materiaal, die nauwkeurig kan worden geïdentificeerd door middel van fluorescentiemetingen. Anderzijds, Met HAXPES kunnen we elektronische toestanden diep in het grootste deel van het materiaal rechtstreeks onderzoeken zonder ongewenste invloed van oppervlakteoxidatie." Zulke krachtige technieken, echter, worden niet uitgevoerd met standaardapparatuur. De experimenten werden uitgevoerd bij SPring-8, een van 's werelds belangrijkste grote röntgensynchrotronstralingsfaciliteiten, met de hulp van Dr. Akira Yasui en Dr. Kiyofumi Nitta van JASRI.

De wetenschappers vulden deze experimentele methoden aan met theoretische berekeningen om licht te werpen op de exacte effecten van de onzuiverheden in Mg ₂ Si. Deze theoretische berekeningen zijn uitgevoerd door Dr. Naomi Hirayama van Shimane University. "Het combineren van theoretische berekeningen met experimenten heeft unieke resultaten opgeleverd in onze studie, " ze zegt.

De wetenschappers ontdekten dat Sb-atomen de plaats innemen van Si-atomen in de Mg ₂ Si-kristalrooster en introduceren een lichte vervorming in de interatomaire afstanden. Dit zou een fenomeen kunnen bevorderen dat fononverstrooiing wordt genoemd, wat de thermische geleidbaarheid van het materiaal vermindert en op zijn beurt de ZT verhoogt. Bovendien, omdat Sb-atomen één valentie-elektron meer bevatten dan Si, ze bieden effectief extra ladingsdragers die de kloof tussen de valentie- en geleidingsbanden overbruggen; met andere woorden, Sb-onzuiverheden ontgrendelen energietoestanden die de energiesprong vergemakkelijken die elektronen nodig hebben om te circuleren. Als resultaat, de elektrische geleidbaarheid van gedoteerd Mg ₂ Si neemt toe, en dat geldt ook voor zijn ZT.

Deze studie heeft ons begrip van doping in thermo-elektrische materialen enorm verdiept, en de resultaten moeten dienen als leidraad voor innovatieve materiaaltechnologie. Dr. Tsutomu Iida, hoofdwetenschapper in het onderzoek, zegt:"In mijn visie op de toekomst, afvalwarmte van auto's wordt effectief omgezet in elektriciteit om een ​​milieuvriendelijke samenleving van stroom te voorzien." we zijn misschien wel een stap dichter bij het vervullen van deze droom.