In recente jaren, het energieverbruik in de ontwikkelde landen is nogal verspillend geweest. Bijna tweederde van de totale energie wordt typisch in het milieu weggegooid als "afvalwarmte, ", wat uiteindelijk bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde. Het vinden van een manier om deze warmte productief te gebruiken, stond voorop bij de prioriteit van elke materiaalonderzoeker.

Een van de verschillende mogelijke manieren om deze afvalwarmte terug te winnen als elektriciteit, is het gebruik van wat bekend staat als "thermo-elektrische conversie" - een proces dat temperatuurverschillen in halfgeleiders gebruikt om direct om te zetten in elektrische spanning. Thermo-elektrische apparaten omvatten p-type en n-type halfgeleiders met twee soorten ladingsdragers, d.w.z. elektron en gat. De p-type en n-type halfgeleiders zijn in serie geschakeld om een ​​grote thermo-elektrische spanning te produceren. Daarom, het is noodzakelijk om zowel p-type als n-type halfgeleiders te ontwikkelen met een hoge thermo-elektrische conversie-efficiëntie.

Een specifiek halfgeleidermateriaal waar wetenschappers onlangs hun aandacht op hebben gericht, is tinmonoselenide (SnSe), die naar verluidt de ZT-waarde van de hoogste thermo-elektrische conversieprestatie-index ter wereld vertoont. Echter, SnSe is niet in staat om het type ladingdrager gemakkelijk te regelen. Dotering met alkali-ionen verbetert de thermo-elektrische prestaties van het p-type, maar de alkali-ionen zijn vluchtige en diffuse elementen, en zijn niet geschikt voor toepassingen bij hoge temperaturen. Bismut en jodium toevoegen om het n-type te maken, anderzijds, resulteert in lage elektronenconcentraties.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen , een team van wetenschappers van Tokyo Tech, Japan, onder leiding van prof. Takayoshi Katase ontdekte dat wanneer gedopeerd met antimoon (Sb), SnSe, aangeduid als (Sn _1-x sb _x )Zeg, vertoont een eigenaardige omschakeling van het geleidingstype. specifiek, het team merkte op dat bij lage dopingconcentraties, (Sn _1-x sb _x ) Se begon met p-type geleiding maar stapte over naar n-type met toenemende doping, en schakelde uiteindelijk terug naar p-type voor hoge concentraties. De uitgebreide analyses en berekeningen onthulden een interessant schakelmechanisme van het ladingstype dat, het team vond, heeft te maken met de verdeling van Sb-substitutieplaatsen tussen Sn en Se. Ze schreven dit schakelgedrag toe aan een overschakeling van de belangrijkste Sb-substitutieplaats van Se (Sb _Se ) naar Sn (Sb _sn ) met toenemende doping.

Wetenschappers legden uit dat bij zeer lage Sb-concentraties, de p-type geleiding vindt uitsluitend plaats door gaten geleverd door Sn-leegstand. Maar naarmate de doping toeneemt, sb _sn begint elektronen af ​​te staan ​​terwijl Sb _Se vormt een "onzuiverheidsband" die geleiding erdoorheen mogelijk maakt, resulterend in het waargenomen n-type gedrag. Echter, naarmate het dopingniveau verder stijgt, het Fermi-niveau nadert het midgap-niveau dat zich tussen de Sb . bevindt _Se onzuiverheidsband en geleidingsband minimum, resulterend in de p-type geleiding.

Met zulke opmerkelijke inzichten te bieden, de resultaten zijn ongetwijfeld een potentiële game changer voor SnSe. Echter, Prof. Takase voorziet een nog bredere scope. "Nu we het mechanisme begrijpen dat een rol speelt bij het wisselen van polariteit van Sb-gedoteerde SnSe, we kunnen hopen het bulksyntheseproces te optimaliseren om de thermo-elektrische prestaties verder te verbeteren en, beurtelings, realiseer er hoogwaardige thermo-elektrische conversieapparaten mee, " vermoedt prof. Katase.

Bovendien, de onderzoekers verwachten ook dat de polariteitscontrole op basis van doping-site-switching in de toekomst veelzijdiger zal worden en kan worden toegepast op andere halfgeleidermaterialen waarvan de dragertypes anders moeilijk te controleren zijn. Nu maar hopen dat dit leidt tot een toekomst waarin restwarmte geen verspilling meer is!