Thermo-elektrische materialen worden beschouwd als een belangrijke hulpbron voor de toekomst - in staat om elektriciteit te produceren uit warmtebronnen die anders verloren zouden gaan, van elektriciteitscentrales, uitlaatpijpen van voertuigen en elders, zonder extra broeikasgassen te genereren. Hoewel er een aantal materialen met thermo-elektrische eigenschappen zijn ontdekt, de meeste produceren te weinig stroom voor praktische toepassingen.

Een team van onderzoekers - van universiteiten in de Verenigde Staten en China, evenals Oak Ridge National Laboratory - rapporteert een nieuw mechanisme om de prestaties te verbeteren door een grotere mobiliteit van de vervoerder, verhogen hoe snel ladingdragende elektronen door het materiaal kunnen bewegen. Het werk, meldde deze week in de Proceedings van de National Academy of Science , gericht op een recent ontdekt n-type magnesium-antimoon materiaal met een relatief hoog thermo-elektrisch cijfer van verdienste, maar hoofdauteur Zhifeng Ren zei dat het concept ook van toepassing kan zijn op andere materialen.

"Als je de mobiliteit verbetert, je verbetert het elektronentransport en de algehele prestaties, " zei Rens, M.D. Anderson, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Houston en hoofdonderzoeker van het Texas Center for Superconductivity aan de UH.

Thermo-elektrische materialen produceren elektriciteit door gebruik te maken van de warmtestroom van een warmer gebied naar een koeler gebied, en hun efficiëntie wordt berekend als de maatstaf voor hoe goed het materiaal warmte omzet in energie. Echter, omdat afvalwarmte zowel een overvloedige als gratis brandstofbron is, de conversieratio is minder belangrijk dan de totale hoeveelheid vermogen die kan worden geproduceerd, zei Ren. Dat heeft onderzoekers ertoe aangezet om manieren te zoeken om de arbeidsfactor van thermo-elektrische materialen te verbeteren.

Paul Ching-Wu Chu, TLL Tempel Leerstoel Wetenschap, oprichter en hoofdwetenschapper van het Texas Center for Superconductivity, merkte op dat Ren eerder het belang van de arbeidsfactor van een materiaal had aangetoond om te bepalen hoe goed het zal werken in een thermo-elektrisch apparaat. Chu is co-auteur van dit meest recente werk, waarvan hij zei dat "aantoont in de op n-type magnesium-antimoon gebaseerde materialen dat de arbeidsfactor inderdaad kan worden verbeterd door de dragerverstrooiing in het materiaal goed af te stemmen."

"Dat biedt een nieuwe weg naar krachtigere thermo-elektrische apparaten, " hij voegde toe.

Thermo-elektrische halfgeleiders zijn er in twee varianten, n-type, gemaakt door een element te vervangen, wat resulteert in een "vrij" elektron om de lading te dragen, en p-type, waarin het vervangende element één elektron minder heeft dan het element dat het heeft vervangen, een "gat" achterlatend dat de beweging van energie vergemakkelijkt terwijl de elektronen over het materiaal bewegen om de lege plek te vullen.

Het werk gerapporteerd in PNAS komt tegemoet aan de behoefte aan een krachtigere n-type magnesium-antimoonverbinding, het uitbreiden van zijn potentieel als thermo-elektrisch materiaal dat kan worden gecombineerd met een effectief p-type magnesium-antimoonmateriaal, die eerder was gemeld.

De arbeidsfactor van het materiaal kan worden verhoogd door de mobiliteit van de drager te vergroten, aldus de onderzoekers. "Hier rapporteren we een substantiële verbetering van de mobiliteit van dragers door het verstrooiingsmechanisme van de drager af te stemmen in op n-type Mg3Sb2 gebaseerde materialen, " schreven ze. "... Onze resultaten tonen duidelijk aan dat de strategie van het afstemmen van het dragerverstrooiingsmechanisme behoorlijk effectief is voor het verbeteren van de mobiliteit en ook van toepassing zou moeten zijn op andere materiële systemen."

De onderzoekers vervingen een kleine fractie magnesium in de verbinding door een verscheidenheid aan overgangsmetaalelementen, inclusief ijzer, kobalt, hafnium en tantaal, om te bepalen hoe de mobiliteit van vervoerders het beste kan worden vergroot en, door dat, de arbeidsfactor van het materiaal.

"Ons werk, " concluderen de onderzoekers, "toont aan dat het verstrooiingsmechanisme van de drager een cruciale rol zou kunnen spelen in de thermo-elektrische eigenschappen van het materiaal, en het concept van het afstemmen van het dragerverstrooiingsmechanisme zou breed toepasbaar moeten zijn op een verscheidenheid aan materiaalsystemen."