Een team van natuurkundigen van Clemson University, bestaande uit nanomateriaalwetenschappers Apparao Rao en Ramakrishna Podila en thermo-elektriciens Terry Tritt, Jian He en Pooja Puneet werkten synergetisch samen via het nieuw opgerichte Clemson Nanomaterials Center om een ​​nieuwe techniek te ontwikkelen voor het afstemmen van thermo-elektrische eigenschappen van n-type bismuttelluride voor hoge thermo-elektrische prestaties.

Hun bevindingen werden gepubliceerd in tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

De huidige Amerikaanse energie-economie en het milieu worden in toenemende mate bedreigd door snel slinkende binnenlandse reserves aan fossiele brandstoffen in combinatie met de ernstige milieu-impact van de verbranding van fossiele brandstoffen. Van zeer efficiënte thermo-elektrische apparaten wordt verwacht dat ze voorzien in de technologie die nodig is op het gebied van schone energie van het moment voor de duurzaamheid van de Amerikaanse energievoorziening. Dit onderzoek is een stap in de richting van het optimaliseren van de prestaties van het apparaat, omdat het een methodologie schetst om een ​​uitdaging te overwinnen die thermo-elektrische onderzoekers tot nu toe heeft "gefrustreerd".

Thermo-elektrische (TE) apparaten zetten afvalwarmte om in elektriciteit via een unieke materiaaleigenschap, het Seebeck-effect. In principe, het Seebeck-effect resulteert in een spanning over de twee uiteinden van een TE-materiaal, vergelijkbaar met de spanning die aanwezig is over de twee uiteinden van een AA-batterij, wanneer het TE-materiaal op de juiste manier wordt blootgesteld aan de afvalwarmte. Bij dergelijke apparaten de efficiëntie van het omzetten van warmte in elektriciteit wordt bepaald door bepaalde sterk gekoppelde materiaaleigenschappen, namelijk, elektrische weerstand, Seebeck-coëfficiënt, en thermische geleidbaarheid. Een functioneel TE-apparaat bestaat uit meerdere poten bestaande uit p-type en n-type materialen, net zoals een diode uit een pn-overgang bestaat.

Bismuttelluride (Bi2Te3) is een gelaagd materiaal en kan worden gezien als een pak speelkaarten, waarbij elke kaart slechts enkele atomen dik is. Bi2Te3 wordt momenteel beschouwd als het state-of-the-art TE-materiaal met een hoog rendement voor het omzetten van restwarmte in elektriciteit, en is daarom aantrekkelijk voor energiewinningsprocessen.

Traditionele nanosizing-methoden slaagden er niet in de prestaties van n-type Bi2Te3 te verbeteren, omdat ze eenvoudigweg alle materiaaleigenschappen tegelijkertijd verlagen. Daarom, Clemson-onderzoekers en collega's ontwikkelden een nieuwe nanosizing-methode waarbij we n-type Bi2Te3 eerst in atomair dunne platen pellen (vergelijkbaar met grafeen, een vel koolstofatomen met een dikte van één atoom) en ze opnieuw in elkaar zetten met behulp van een vonkplasma-sinterproces.

De onderzoekers ontdekten dat het hierboven beschreven proces in twee stappen, waarbij eerst het kaartspel in afzonderlijke kaarten wordt gescheiden en vervolgens via vonkplasma-sintering opnieuw tot een kaartspel wordt samengevoegd, ons in staat stelt om de materiaaleigenschappen van n-type Bi2Te3 voor hoge TE-prestaties. Bij deze benadering de zogenaamde 'grensvlakgeladen defecten' worden gegenereerd in het gesinterde n-type Bi2Te3 dat niet alleen de structurele eigenschappen verbetert, maar ook de thermo-elektrische efficiëntie over een breed temperatuurvenster, waardoor het uiterst compatibel is met p-type Bi2Te3 voor de productie van efficiënte TE-apparaten.

De verbeterde compatibiliteitsfactor (aangetoond in dit artikel) zal naar verwachting nieuwe mogelijkheden openen voor zeer efficiënte TE-apparaten. Het fascinerende en opmerkelijke element van dit onderzoek is dat defecten, die vaak duiden op onzuiverheid en worden geassocieerd met lage prestaties of efficiëntie, kunnen inderdaad worden gebruikt om de eigenschappen van materialen in ons voordeel af te stemmen.

De huidige wetenschappelijke gemeenschap heeft geen alomvattend begrip van defecten, voornamelijk vanwege het ontbreken van methoden die beheersbaar defecten kunnen genereren en manipuleren. De toekomst van dit onderzoek zal gericht zijn op het ontwikkelen van hulpmiddelen om defecten op een fundamenteel niveau te genereren en te bestuderen, waardoor de onderzoekers de materiaaleigenschappen van niet alleen TE-materialen kunnen optimaliseren, maar ook van een nieuwe klasse van tweedimensionale materialen buiten de Nobelprijs voor -winnend grafeen voor energieopwekking en -opslag.