Door een thermo-elektrisch materiaal te doteren met minieme hoeveelheden zwavel, een team van onderzoekers heeft een nieuwe weg gevonden naar grote verbeteringen in de efficiëntie van materialen voor verwarming en koeling in vaste toestand en voor het terugwinnen van afvalenergie. Deze benadering verandert ingrijpend de elektronische bandstructuur van het materiaal – bismuttelluride selenide – en verbetert de zogenaamde "figuur van verdienste, " een rangschikking van de prestaties van een materiaal die de efficiëntie in toepassingen bepaalt en de deur opent naar geavanceerde toepassingen van thermo-elektrische materialen om restwarmte van energiecentrales naar computerchips te oogsten.

"Dit is een opwindende doorbraak omdat dit ons in staat stelt om twee ongunstig gekoppelde eigenschappen te ontwarren die de thermo-elektrische prestaties beperken, " zei Ganpati Ramanath, een expert op het gebied van nanomaterialen, en de John Tod Horton '52 Professor of Materials Science and Engineering aan het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), die het team leidde. "Bovendien, onze aanpak werkt voor zowel nanokristallen als bulkmaterialen, die relevant is voor toepassingen."

Thermo-elektrische materialen kunnen een spanning omzetten in een thermische gradiënt - waardoor een kant van een materiaal warm of koud wordt - en omgekeerd. De efficiëntie waarmee een materiaal een spanning in een thermische gradiënt kan omzetten, wordt voornamelijk bepaald door de verdienste van het materiaal. State-of-the-art thermo-elektrische materialen zijn niet erg efficiënt, het gebruik ervan beperken tot nichetoepassingen zoals picknickkoelkasten, binnenlandse waterverwarmers, klimaatregeling autostoeltjes en nachtkijkers. Met een aanzienlijke verbetering van het cijfer van verdienste, thermo-elektrische materialen zouden kunnen worden gebruikt voor meer geavanceerde toepassingen, zoals het oogsten van restwarmte in elektriciteitscentrales en motoren, en koeling van computerchips.

“Zeventig procent van al het energieverlies is warmte. Als we uit die restwarmte nog maar 5 procent meer elektriciteit kunnen opwekken, we zijn op weg om een ​​grote impact te hebben op de elektriciteitsproductie en de vermindering van de uitstoot van kooldioxide, " zei Theo Borca-Tasciuc, professor werktuigbouwkunde bij Rensselaer en een belangrijk lid van het team, met expertise in thermische fysica en systemen. "Thermo-elektriciteit zou ook efficiënte, compact, en modulaire warmtepompsystemen voor een revolutie in airconditioning voor toepassingen in auto's en gebouwen."

De verdienste van een thermo-elektrisch materiaal hangt af van drie eigenschappen:elektrische geleidbaarheid – het vermogen van het materiaal om elektronen te geleiden; Seebeck-coëfficiënt - het vermogen om elektriciteit en warmte om te zetten; en thermische geleidbaarheid - het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden. Voor een hoog cijfer van verdienste, een materiaal zou een hoge elektrische geleidbaarheid hebben, hoge Seebeck-coëfficiënt, en lage thermische geleidbaarheid. Een belemmering voor het bereiken van een hoog cijfer van verdienste is dat elektrische geleidbaarheid en Seebeck-coëfficiënt een omgekeerde relatie hebben; de een neemt toe, de ander neemt af.

"Door bismuttellurideselenide te doteren met honderden delen per miljoen zwavel, we zijn in staat om zowel de elektrische geleidbaarheid en de Seebeck-coëfficiënt in nanokristallen als bulkmaterialen gemaakt van de nanokristallen te verhogen, " Zei Ramanath. Het onderzoek toont een toename van 80 procent aan in het cijfer van verdienste van het bulkmateriaal. "Grotere verbeteringen zouden mogelijk zijn met hogere doping of het gebruik van andere doteermiddelen."

"De grote uitdaging bij het opwekken van stroom met thermo-elektriciteit is hoe we tegelijkertijd hoge spanning en lage weerstand kunnen krijgen. Ons werk laat een nieuwe en belangrijke weg vooruit zien:we moeten deze methode optimaliseren en in de praktijk brengen, " zei David Singh, een professor aan de Universiteit van Missouri wiens theoretische berekeningen een basis vormen om de waargenomen resultaten te verklaren in termen van complexe veranderingen in de vorm van de elektronische bandstructuur.

Het onderzoek is gedetailleerd in de 11 mei, 2016, online uitgave van Geavanceerde materialen in het artikel "Het benutten van topologische bandeffecten in bismuttellurideselenide voor grote verbeteringen in thermo-elektrische eigenschappen door isovalente doping." Het werk is een samenwerking tussen onderzoekers van Rensselaer, Universiteit van Missouri, en het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Duitsland. Voor dit werk, Devender - de eerste auteur van het artikel en een doctoraalstudent van Ramanath - ontving een Norman Stoloff-prijs voor uitmuntend onderzoek van afgestudeerden van het Department of Materials Science and Engineering van Rensselaer. Devender werkt momenteel bij GlobalFoundries Inc.

Ramanath's onderzoek is een voorbeeld van het werk dat wordt gedaan bij The New Polytechnic, het aanpakken van moeilijke en complexe mondiale uitdagingen, de behoefte aan interdisciplinaire en echte samenwerking, en het gebruik van de nieuwste tools en technologieën, waarvan vele bij Rensselaer worden ontwikkeld. Zijn onderzoek richt zich op nanomaterialen en interfaces voor toepassingen in elektronica en energie. Zijn onderzoek omvat de ontwikkeling van nieuwe soorten bulkmaterialen en dunne films door middel van gerichte synthese en assemblage, evenals het creëren van moleculair op maat gemaakte interfaces met nieuwe of unieke eigenschappen. Ramanath's recente ontdekkingen omvatten een nieuwe klasse thermo-elektrische nanomaterialen - waaronder deze nieuwe variant van met zwavel gedoteerd bismuttellurideselenide - opgebouwd uit assemblages van gebeeldhouwde nanostructuren voor hoogrenderende koeling in vaste toestand en het oogsten van elektriciteit uit afvalwarmte, samen met nanomoleculaire lagen "nanolijm" die niet-klevende materialen kunnen verbinden, remmen chemische vermenging, en het thermisch transport stimuleren.