Thermo-elektrische (TE) materialen kunnen een sleutelrol spelen in toekomstige technologieën. Hoewel de toepassingen van deze opmerkelijke verbindingen al lang zijn onderzocht, ze zijn meestal beperkt tot apparaten met een hoge temperatuur. Onlangs, onderzoekers van de Universiteit van Osaka, in samenwerking met Hitachi, Ltd., ontwikkelde een nieuw TE-materiaal met een verbeterde arbeidsfactor bij kamertemperatuur. hun studie, gepubliceerd in Fysica Status Solidi RRL , zou kunnen helpen deze materialen uit de niche bij hoge temperaturen en in de mainstream te brengen.

TE-materialen vertonen het thermo-elektrische effect:breng aan één kant warmte aan, en er begint een elektrische stroom te vloeien. Omgekeerd, een externe stroom door het apparaat laten lopen, en zich een temperatuurgradiënt vormt; d.w.z., de ene kant wordt heter dan de andere. Door warmte en elektriciteit onderling om te zetten, TE-materialen kunnen worden gebruikt als stroomgeneratoren (bij een warmtebron) of als koelkasten (bij een stroomvoorziening).

Het ideale TE-materiaal combineert een hoge elektrische geleidbaarheid, de stroom laten vloeien, met lage thermische geleidbaarheid, die voorkomt dat de temperatuurgradiënt egaal wordt. De prestaties van de stroomopwekking hangen hoofdzakelijk van de „machtsfactor, " wat evenredig is met zowel de elektrische geleidbaarheid als een term die de Seebeck-coëfficiënt wordt genoemd.

"Helaas, de meeste TE-materialen zijn vaak gebaseerd op zeldzame of giftige elementen, " zegt co-auteur Sora-at Tanusilp. "Om dit aan te pakken, we combineerden silicium - wat gebruikelijk is in TE-materialen - met ytterbium, om ytterbiumsilicide te maken [YbSi ₂ ]. We hebben om verschillende redenen voor ytterbium gekozen boven andere metalen. Eerst, de verbindingen zijn goede elektrische geleiders. Tweede, YbSi ₂ is niet-toxisch. Bovendien, deze verbinding heeft een specifieke eigenschap die valentiefluctuatie wordt genoemd, waardoor het een goed TE-materiaal is bij lage temperaturen."

Het eerste voordeel van YbSi ₂ is dat de Yb-atomen een mengsel van valentietoestanden innemen, zowel +2 als +3. Deze fluctuatie, ook bekend als Kondo-resonantie, verhoogt de Seebeck-coëfficiënt met behoud van metaalachtige hoge elektrische geleidbaarheid bij lage temperatuur, en dus de arbeidsfactor.

Tweede, YbSi ₂ heeft een ongebruikelijke gelaagde structuur. Terwijl de Yb-atomen kristalvlakken bezetten, vergelijkbaar met puur Yb-metaal, de Si-atomen vormen zeshoekige platen tussen die vlakken, die lijkt op de koolstofplaten in grafiet. Dit blokkeert de warmtegeleiding door het materiaal, en houdt daardoor de thermische geleidbaarheid laag, behoud van de temperatuurgradiënt. De onderzoekers zijn van mening dat de warmtegeleiding verder wordt onderdrukt door de structuur op nanoschaal en sporen van onzuiverheden en andere defecten te controleren.

Het resultaat is een bemoedigend hoge vermogensfactor van 2,2 mWm ^-1 K ^-2 op kamertemperatuur. Dit is concurrerend met conventionele TE-materialen op basis van bismuttelluride. Zoals de corresponderende auteur van deze studie, Ken Kurosaki, uitlegt, "Het gebruik van Yb laat zien dat we de tegenstrijdige behoeften van TE-materialen kunnen verzoenen door zorgvuldig de juiste metalen te selecteren. TE's bij kamertemperatuur, met matige kracht, kan worden gezien als een aanvulling op de conventionele hoge temperatuur, apparaten met een hoog vermogen. Dit zou kunnen helpen de voordelen van TE in de dagelijkse technologie te ontsluiten."