Onzuiverheden, die in materialen vaak als ongewenst worden beschouwd, kunnen soms een cruciale rol spelen bij het verbeteren van hun eigenschappen. Dit fenomeen wordt geïllustreerd in thermo-elektrische materialen, die temperatuurverschillen omzetten in elektriciteit. Door op strategische wijze specifieke soorten onzuiverheden op atomair niveau te introduceren, hebben wetenschappers een manier ontdekt om de thermo-elektrische prestaties van deze materialen aanzienlijk te verbeteren.

Thermo-elektrische materialen zijn afhankelijk van de beweging van ladingsdragers (elektronen of gaten) en warmtedragers (fononen) om elektriciteit op te wekken. De efficiëntie van dit conversieproces wordt bepaald door twee sleutelfactoren:de elektrische geleidbaarheid en de thermische geleidbaarheid. Idealiter zou een goed thermo-elektrisch materiaal een hoge elektrische geleidbaarheid moeten hebben om ladingstransport te vergemakkelijken en tegelijkertijd een lage thermische geleidbaarheid moeten hebben om warmteverlies te minimaliseren.

Het bereiken van dit evenwicht kan echter een uitdaging zijn. Bij de meeste materialen leidt het vergroten van de elektrische geleidbaarheid vaak ook tot een toename van de thermische geleidbaarheid. Deze afweging staat bekend als de wet van Wiedemann-Franz.

Onzuiverheden kunnen deze correlatie verbreken door extra verstrooiingsmechanismen voor fononen, de warmtedragers, te introduceren. Wanneer fononen deze onzuiverheden tegenkomen, wordt hun beweging verstoord, waardoor de thermische geleidbaarheid afneemt. Tegelijkertijd kan de aanwezigheid van onzuiverheden de elektrische geleidbaarheid verbeteren door nieuwe energietoestanden te introduceren die het transport van ladingsdragers vergemakkelijken.

Dit concept van onzuiverheidstechniek is met succes gedemonstreerd in verschillende thermo-elektrische materialen. In het veel bestudeerde materiaal bismuttelluride (Bi2Te3) is bijvoorbeeld aangetoond dat de introductie van kleine hoeveelheden onzuiverheden zoals selenium (Se) of antimoon (Sb) de thermo-elektrische prestaties ervan aanzienlijk verbetert.

Deze onzuiverheden introduceren resonante toestanden nabij het Fermi-niveau, die de elektrische geleidbaarheid verbeteren door de dichtheid van beschikbare ladingsdragers te vergroten. Bovendien verstrooien de onzuiverheden fononen, waardoor de thermische geleidbaarheid wordt verminderd. Als gevolg hiervan wordt de algehele thermo-elektrische efficiëntie van Bi2Te3 verbeterd.

Een ander voorbeeld van succesvolle onzuiverheidstechniek is de toevoeging van zeldzame aardmetalen zoals ytterbium (Yb) of erbium (Er) aan loodtelluride (PbTe). Deze onzuiverheden introduceren gelokaliseerde elektronische toestanden die de elektrische geleidbaarheid verbeteren, terwijl hun zware atoommassa's bijdragen aan fononverstrooiing, waardoor de thermische geleidbaarheid wordt verminderd.

Door het type en de concentratie van onzuiverheden zorgvuldig te selecteren en te controleren, kunnen wetenschappers de eigenschappen van thermo-elektrische materialen op atomair niveau afstemmen, waardoor een delicaat evenwicht wordt bereikt tussen elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid. Deze aanpak is veelbelovend voor de ontwikkeling van hoogwaardige thermo-elektrische materialen voor efficiënte energieconversietoepassingen, zoals de terugwinning van afvalwarmte en draagbare energieopwekking.

Concluderend kunnen onzuiverheden, die vaak als schadelijk worden ervaren, inderdaad gunstig zijn als het gaat om thermo-elektrische materialen. Door specifieke onzuiverheden op atomair niveau te introduceren, kunnen wetenschappers de elektrische geleidbaarheid verbeteren en tegelijkertijd de thermische geleidbaarheid verminderen, waardoor uiteindelijk de algehele thermo-elektrische efficiëntie van deze materialen wordt verbeterd. Dit concept van onzuiverheidstechniek opent spannende wegen voor het ontwerp en de optimalisatie van thermo-elektrische apparaten van de volgende generatie.