Baanbrekende wetenschap is vaak het resultaat van echte samenwerking, met onderzoekers op verschillende gebieden, standpunten en ervaringen op een unieke manier samenkomen. Een van die inspanningen van Clemson University-onderzoekers heeft geleid tot een ontdekking die de manier waarop de wetenschap van thermo-elektriciteit vooruitgaat, zou kunnen veranderen.

Afgestudeerd onderzoeksassistent Prakash Parajuli; onderzoeksassistent-professor Sriparna Bhattacharya; en Clemson Nanomaterials Institute (CNI) Founding Director Apparao Rao (alle leden van CNI in het College of Science's Department of Physics and Astronomy) werkten samen met een internationaal team van wetenschappers om een ​​zeer efficiënt thermo-elektrisch materiaal op een nieuwe manier te onderzoeken - door gebruik te maken van licht.

Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap en is getiteld "Hoge zT en zijn oorsprong in Sb-gedoteerde GeTe-eenkristallen."

"Thermo-elektrische materialen zetten warmte-energie om in bruikbare elektrische energie; daarom er is veel interesse in materialen die dit het meest efficiënt kunnen omzetten, " zei Parajuli

Bhattacharya legde uit dat de sleutel tot het meten van vooruitgang in het veld het cijfer van verdienste is, genoteerd als zT, die sterk afhankelijk is van de eigenschap van thermo-elektrische materialen. "Veel thermo-elektrische materialen vertonen een zT van 1-1,5, die ook afhangt van de temperatuur van het thermo-elektrische materiaal. Pas recentelijk zijn er materialen met een zT van 2 of hoger gerapporteerd."

"Dit roept de vraag op, hoeveel meer van dergelijke materialen kunnen we vinden, en wat is de fundamentele wetenschap die hier nieuw is waardoor een zT groter dan 2 kan worden bereikt?" voegde Rao eraan toe. "Basisonderzoek is het zaad waaruit toegepast onderzoek groeit, en om voorop te blijven lopen op het gebied van thermo-elektriciteit hebben we samengewerkt met het team van professor Yang Yuan Chen aan de Academia Sinica, Taiwan."

Chen en Rao's teams concentreerden zich op Germanium Telluride (GeTe), een monokristallijn materiaal.

"GeTe is interessant, maar gewoon GeTe zonder enige doping vertoont geen opwindende eigenschappen, " zei Bhattacharya. "Maar als we er een beetje antimoon aan toevoegen, het vertoont goede elektronische eigenschappen, evenals een zeer lage thermische geleidbaarheid."

Terwijl anderen op GeTe gebaseerde materialen met een hoge zT hebben gemeld, dit waren polykristallijne materialen. Polykristallen hebben grenzen tussen de vele kleine kristallen waaruit ze zijn gevormd. Hoewel dergelijke grenzen de warmteoverdracht gunstig belemmeren, ze maskeren de oorsprong van fundamentele processen die leiden tot een hoge zT.

"Hier, we hadden zuivere en gedoteerde GeTe-eenkristallen waarvan de thermo-elektrische eigenschappen niet zijn gerapporteerd, " zei Bhattacharya. "Daarom, we waren in staat om de intrinsieke eigenschappen van deze materialen te evalueren die anders moeilijk te ontcijferen zouden zijn in de aanwezigheid van concurrerende processen. Dit is mogelijk het eerste GeTe-kristal met antimoondoping dat deze unieke eigenschappen vertoonde, voornamelijk de ultralage thermische geleidbaarheid."

Deze lage thermische geleidbaarheid kwam als een verrassing, omdat de eenvoudige kristalstructuur van het materiaal ervoor moet zorgen dat warmte gemakkelijk door het kristal kan stromen.

"Elektronen dragen de warmte en elektriciteit, dus als je de elektronen blokkeert, je hebt geen stroom, "Zei Parajuli. "Vandaar, de sleutel is om de warmtestroom te blokkeren door de gekwantiseerde roostertrillingen die bekend staan ​​als fononen, terwijl elektronen kunnen stromen."

Doping GeTe met de juiste hoeveelheid antimoon kan de elektronenstroom maximaliseren en de warmtestroom minimaliseren. Deze studie wees uit dat de aanwezigheid van 8 antimoonatomen voor elke 100 GeTe aanleiding geeft tot een nieuwe reeks fononen, die de warmtestroom effectief verminderen, wat zowel experimenteel als theoretisch werd bevestigd.

Het team, samen met medewerkers die de kristallen kweekten, voerde elektronische en thermische transportmetingen uit naast berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie om dit mechanisme op twee manieren te vinden:ten eerste, door middel van modellering, met behulp van de thermische geleidbaarheidsgegevens; tweede, door middel van Raman-spectroscopie, die de fononen in een materiaal onderzoekt.

"Dit is een totaal nieuwe invalshoek voor thermo-elektrisch onderzoek, "Zei Rao. "We zijn een soort van pioniers op die manier - het decoderen van thermische geleidbaarheid in thermo-elektriciteit met licht. Wat we vonden met behulp van licht kwam goed overeen met wat werd gevonden door thermische transportmetingen. Toekomstig onderzoek naar thermo-elektriciteit zou licht moeten gebruiken - het is een zeer krachtige niet-destructieve methode om warmtetransport in thermo-elektriciteit op te helderen. Je schijnt licht op het monster, en informatie verzamelen. Je vernietigt het monster niet."

Rao zei dat de brede expertise van de medewerkers de sleutel tot hun succes was. De groep omvatte Fengjiao Liu, een voormalig Ph.D. student bij CNI; Rahul Rao, Onderzoek Fysisch wetenschapper bij het Air Force Research Laboratory, Wright-Patterson luchtmachtbasis; en Oliver Rancu, een middelbare scholier aan de South Carolina Governor's School for Science and Mathematics die met het team werkte via het SPRI-programma (Summer Program for Research Interns) van Clemson. Door de pandemie, het team werkte met Rancu via Zoom, hem begeleiden met enkele van Parajuli's berekeningen met behulp van een alternatieve Matlab-code.

"Ik ben zo dankbaar voor de kans om deze zomer met de CNI-teamleden te werken, " zei Rancu, die uit Anderson komt, Zuid Carolina. "Ik heb zoveel dingen geleerd over zowel natuurkunde als de onderzoekservaring in het algemeen. Het was echt onbetaalbaar, en deze onderzoekspublicatie is gewoon weer een toevoeging aan een toch al fantastische ervaring."

"Ik was erg onder de indruk van Oliver, " voegde Parajuli eraan toe. "Hij ving snel op met het noodzakelijke kader voor de theorie."