Hoogwaardige thermo-elektrische materialen die restwarmte omzetten in elektriciteit, zouden ooit een bron van duurzamere energie kunnen zijn. Maar ze moeten veel efficiënter zijn voordat ze op grote schaal effectief kunnen zijn in plaatsen zoals energiecentrales of militaire bases, zeggen onderzoekers.

Een onderzoeker van de Universiteit van Michigan heeft een stap in de richting van dat doel gezet. Door een halfgeleidend materiaal te construeren op het niveau van zijn individuele atomen, Pierre Ferdinand P. Poudeu, assistent-professor materiaalkunde en techniek, heeft zijn vermogen om warmte om te zetten in stroom met 200 procent en zijn elektrische geleidbaarheid met 43 procent vergroot. Dat is een belangrijke combinatie. Het tegelijkertijd verbeteren van beide cijfers is een grote uitdaging voor onderzoekers die in het veld werken.

Het materiaal dat Poudeu gebruikt is een legering van titanium, zirkonium, nikkel en tin. Hoewel het op dit moment geen bijzonder effectief thermo-elektrisch materiaal is, Poudeu zegt dat het een goed testbed was.

"Dit concept is nieuw en spannend, " zei Poudeu. "We denken dat het ook kan worden aangepast aan andere materialen en de weg vrijmaakt voor verbeterde thermo-elektrische materialen die bedoeld zijn voor hoogwaardige energieconversietoepassingen.

"Als we generatoren willen bouwen die restwarmte omzetten in elektriciteit en die de huidige technologie kunnen vervangen, thermo-elektrische materialen met een veel hoger rendement moeten worden ontdekt. We zullen de efficiëntie die vandaag normaal gesproken wordt bereikt ongeveer moeten verdubbelen."

Poudeu zegt dat zijn nano-engineeringbenadering die voordelen kan bereiken als het kan worden gebruikt in de huidige toonaangevende kandidaat-systemen voor thermo-elektrische materialen.

Zijn strategie verschilt van gangbare op chemicaliën gebaseerde technieken zoals doping, waarin onderzoekers onzuiverheden aan een gastheermateriaal toevoegen om de elektronische eigenschappen ervan te veranderen en het meer geleidend te maken. In thermo-elektrische materialen, doping kan tegen zichzelf werken, echter, omdat de onzuiverheden de omzetting van warmte naar elektriciteit kunnen belemmeren.

In plaats van onzuiverheden toe te voegen, die typisch vreemde chemische elementen zijn, Poudeu introduceerde extra individuele atomen van nikkel - een van de elementen die al in het materiaal aanwezig zijn. De nikkelatomen vonden hun weg naar de kristalstructuur van het gastheermateriaal en vulden een klein deel van de lege atomaire plaatsen op. Ze vormden wat Poudeu beschrijft als kwantumstippen - structuren op nanoschaal die de wetten van kwantum volgen, in plaats van klassiek, natuurkunde.

De structuren zijn zo klein, je zou een miljoen moeten opstellen om ze zonder microscoop te kunnen zien, zegt Poudeu.

De kwantumstippen werken als vallen, het blokkeren van laagenergetische elektronen van het verminderen van de conversie-efficiëntie, terwijl ze een pad creëren waar elektronen met hogere energie doorheen kunnen gaan als elektrische stroom. De toevoeging van de kwantumdots in een bulkhalfgeleider resulteert in een nieuw materiaal met een duidelijke elektronische structuur, zegt Poudeu.

Het artikel is getiteld "Large Enhancements of Thermopower and Carrier Mobility in Quantum Dot Engineered Bulk Semiconductors." Het wordt online gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society en zal verschijnen in een volgende gedrukte editie.