Thermo-elektrische apparaten zijn zeer veelzijdig, met de mogelijkheid om warmte om te zetten in elektriciteit, en elektriciteit in warmte. Ze zijn klein, lichtgewicht, en extreem duurzaam omdat ze geen bewegende delen hebben, daarom zijn ze gebruikt om NASA-ruimtevaartuigen aan te drijven tijdens langdurige missies, inclusief de Voyager-ruimtesondes die in 1977 werden gelanceerd.

Omdat het aanbrengen van een elektrische stroom op een thermo-elektrische lading ervoor zorgt dat geladen deeltjes van de hete kant van het materiaal naar hun koude kant diffunderen, ze worden veel gebruikt in koeltoepassingen om warmte uit systemen te halen, zoals bij warmtepompen, glasvezel apparaten, en autostoelen - en om de temperatuur van batterijpakketten te regelen. Het proces is ook omkeerbaar en kan effectief "restwarmte" terugwinnen om bruikbare elektriciteit op te wekken van hete oppervlakken, zoals de uitlaatpijp van een voertuig.

Ondanks hun veelzijdigheid en betrouwbaarheid, het gebruik van thermo-elektrische technologie in veel toepassingen blijft een uitdaging, vanwege hun relatief hoge kosten en inefficiëntie in vergelijking met conventionele stroom- en verwarmings- of koelsystemen. Voor maximale efficiëntie, thermo-elektrisch materiaal moet zowel goede geleiders van elektriciteit als slechte geleiders van warmte zijn - eigenschappen die zelden in hetzelfde materiaal worden aangetroffen.

Ingenieurs van Duke University gebruiken koude (lagere-energie) neutronenverstrooiingstechnieken bij Oak Ridge National Laboratory (ORNL) om de vibratiebewegingen van atomen te bestuderen, genaamd "fononen, " dat is hoe warmte zich voortplant door thermo-elektrische materialen. Door te begrijpen hoe fononen bewegen en worden verspreid in thermo-elektrische materialen, de wetenschappers hopen uiteindelijk het fonon- en elektronentransport te beheersen om de elektrische geleidbaarheid te verbeteren en de warmtestroom te minimaliseren.

"We gebruiken neutronen om thermo-elektrische materialen te bestuderen, omdat we hun energie kunnen afstemmen op de lagere energie van de fononen, die een hogere resolutie biedt, " zei Tyson Lanigan-Atkins, een doctoraat student aan de hertog, in een groep werkend onder Olivier Delaire, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde. "Neutronen stellen ons ook in staat om onderzoek te doen in complexere monsteromgevingen, zoals de aangepaste inkapseling die we gebruiken in een omgeving met hoge temperaturen."

Onder de thermo-elektrische materialen die in de experimenten werden gebruikt, was een eenkristal van loodselenide, wat een van de eerste legeringen was die werd onderzocht en gecommercialiseerd voor thermo-elektrische generatoren. De wetenschappers waren geïnteresseerd in de structurele faseovergang van het materiaal bij hoge temperaturen, door de unieke koppeling tussen de elektronische en roostertrillingen in het systeem, en de invloed die deze overgang heeft op de thermische geleidbaarheid.

Tijdens hun onderzoek aan de koude neutronen drie-assige spectrometer (CTAX) neutronenbundellijn bij ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), de wetenschappers moesten grote kristallen uitlijnen tot op een graad of twee van elkaar. Ze kwamen verschillende technische uitdagingen tegen bij het ontwerpen van hun experiment, inclusief het ontwikkelen van een monsterhouder om de ingekapselde kristallen correct in de neutronenbundel te positioneren.

"Het materiaal wordt erg onstabiel - het begint in wezen te verdampen - onder vacuümomstandigheden en in gewone gasomgevingen, dat is typisch hoe we experimenten met hoge temperaturen uitvoeren, " zei Jennifer Niedziela, een vibrationele spectroscopist in ORNL's Nuclear Science and Engineering directoraat en voormalig postdoctoraal onderzoeker in de groep van Delaire. "Vooruitlopend op deze problemen, we hebben de monsters ingepakt in kwartscapsules om een ​​gecontroleerde atmosfeer rond het monster te behouden, waardoor we de fonondynamiek konden bestuderen. Dit benadrukt een ander voordeel van neutronenverstrooiing, namelijk dat we veel materiaal in het pad van de neutronenbundel kunnen plaatsen, zoals kwarts, wol, en draden, en nog steeds de signalen zien die ons interesseren."

Het ontwerp van de monsterhouder onderging verschillende iteraties om ervoor te zorgen dat de onderzoekers het monster veilig konden verwarmen. Zij overlegden met experts van de ORNL glaswinkel, die de kwartscapsule maakte, en het laboratorium voor monsteromgeving, evenals experts in materialen voor hoge temperaturen, om ervoor te zorgen dat ze een houder konden ontwerpen die zou voldoen aan de doelstellingen van de onderzoekers. Elke houder moest worden ontworpen om het kristal in een vaste oriëntatie te houden en binnen een relatief klein gebied in de monsteromgeving met hoge temperatuur te passen. Als het monster zou bewegen, ze riskeerden kortsluiting in de oven en ervoor te zorgen dat deze uitschakelde.

Eerdere pogingen om akoestische fononlijnbreedten onder 1,0 milli-elektronvolt (meV) op te lossen waren niet succesvol vanwege de resolutielimieten van de gebruikte neutroneninstrumenten. Echter, de koude neutronen die door de CTAX-bundellijn worden geleverd, zijn zeer geschikt voor meting met hoge resolutie van roosterdynamiek in kristallijne vaste stoffen met een hoge signaal-ruisverhouding, zoals thermo-elektrische materialen. "Met behulp van de drie-assige spectrometer bij CTAX, we hebben uitstekende gegevens verkregen over de lijnbreedte van akoestische fononen onder 1,0 meV in een regime van hoge temperatuur, ' zei Niedziela.

De neutronenverstrooiingsmetingen stelden de Duke-onderzoeksgroep in staat om unieke, krachtige inzichten in microscopische warmtetransportfenomenen in materialen die belangrijk zijn voor energietoepassingen.