Thermo-elektrische koeling is een koelproces in vaste toestand waarbij de warmte in een elektrisch geleidend materiaal wordt overgedragen met behulp van de eigen geleidingselektronen van het materiaal zonder dat de gasvormige koelmiddelen nodig zijn. zoals chloorfluorkoolwaterstoffen, die worden gebruikt in conventionele koeling. Koelers op basis van thermo-elektrische technologie kunnen worden verkleind zonder hun thermische-naar-elektrische energieconversie-efficiëntie te veranderen en dit is een groot voordeel voor gelokaliseerde koeling van kleine elektronische apparaten. Dit effect wordt al gebruikt voor temperatuurregeling in apparaten zoals infraroodsensoren en laserdiodes, en is ook gebruikt voor koeling bij lage temperatuur voor cryogene elektronische apparaten zoals supergeleidende sensoren.

Echter, het gebrek aan materialen met geschikte thermo-elektrische efficiëntie voor praktische koeltoepassingen bij temperaturen onder 250 K (ongeveer -23°C) heeft onderzoekers van de Universiteit van Nagoya ertoe aangezet om te kijken naar de effectiviteit van nieuwe verbindingen voor toepassingen bij echt lage temperaturen.

"We hebben de thermo-elektrische eigenschappen bestudeerd van snorhaarachtige kristallen die zijn samengesteld uit een verbinding van tantaal, silicium en telluur, " zegt corresponderende auteur Yoshihiko Okamoto van de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Nagoya. "Deze kristallen produceerden zeer hoge thermo-elektrische vermogens over een breed temperatuurbereik, van het cryogene niveau van 50 K (dat is ongeveer -223°C) tot kamertemperatuur, maar behield nog steeds de lage elektrische weerstand die nodig is voor praktische koeltoepassingen." De monsters die voor de experimenten werden gekweekt, omvatten pure Ta4SiTe4 en andere kristallen die chemisch waren gedoteerd met lage niveaus van molybdeen en antimoon.

Voor de monsters zijn verschillende materiaaleigenschappen gemeten, inclusief thermo-elektrische energie, elektrische weerstand, en thermische geleidbaarheid, om de effecten van de twee doteermiddelen op hun thermo-elektrische eigenschappen te vergelijken. "We hebben een zeer hoge thermo-elektrische arbeidsfactor gemeten bij een optimale temperatuur van 130 K, " voegt Okamoto toe. "Echter, deze optimale temperatuur kon over een zeer breed bereik worden geregeld door de chemische dotering te variëren, en geeft aan dat deze kristallen geschikt zijn voor praktisch gebruik bij lage temperaturen."

Toevoeging van slechts 0,1 procent molybdeendotering zorgde ervoor dat de soortelijke weerstand van de telluride-type kristallen dramatisch afnam bij lage temperaturen, terwijl ze ook hoge thermo-elektrische krachten vertoonden die nauw verband hielden met de sterk eendimensionale elektronische structuren van de materialen. De vermogensfactoren van de kristallen bij kamertemperatuur waren veel groter dan de overeenkomstige waarden van de conventionele op Bi2Te3-gebaseerde legeringen die vaak worden gebruikt in thermo-elektrische toepassingen, en deze kristallen vormen dus een veelbelovende route naar de ontwikkeling van hoogwaardige thermo-elektrische koeloplossingen bij zeer lage temperaturen.