«Мы выполнили первые всесторонние измерения атомных колебаний в этом важном новом термоэлектрическом материале», сказал ведущий автор Оливье Делер в Материаловедении и Отделе технологий ORNL. «Мы обнаружили происхождение его очень низкой теплопроводности, которая приводит к его высокой эффективности». Оказывается, что необычные атомные колебания помогают предотвратить «тепловые утечки», максимизируя преобразование в электричество.
Офис САМКИ Науки, который предварительные материалы для энергетических технологий, спонсировал исследование, которое было во главе с ведомым MIT энергетическим Пограничным Научно-исследовательским центром. Исследователи использовали три Офиса САМКИ Научных Пользовательских Средств на ORNL – Источник Нейтрона Расщепления ядра, Высокое Средство для Вычисления Лидерства Реактора и Ок-Риджа Изотопа Потока.
Через эффект Зеебека термоэлектрические устройства производят напряжение и производят электрический ток, когда температурный дифференциал сохраняется. Или, когда приведено в действие с внешним источником электричества, устройства могут активно накачать тепло для приложений охлаждения.Чтобы сохранить применимый температурный градиент, термоэлектрические материалы должны быть хорошими проводниками электричества, но плохими проводниками тепла. В 2014 исследователи в Северо-Западном университете обнаружили, что оловянный селенид, который недорог, мог быть самым эффективным термоэлектрическим материалом в мире.
Исследователи ORNL наблюдали атомные колебания, которые подкрепляют тепловой поток – названный фононами – и попробованный, чтобы понять их происхождение с точки зрения электронной структуры и химии.«Что мы нашли, то, что этот конкретный способ фонона – тот, который это нестабильно, что ‘замораживания’», сказал Делер. «Если Вы охлаждаете материал, он идет от неискаженного до искаженного, и когда Вы нагреваете его, искажение уходит.
Это – атомный механизм позади замораживания в этого конкретного способа фонона».Знание, которое получила команда, может усилия по оказанию помощи, чтобы управлять тепловым транспортом в широком спектре связанных с энергией технологий, включая тепловые покрытия барьера, ядерные топлива и мощную электронику.Ключ к оловянной высокой эффективности селенида был показан посредством исследования динамики атомов в кристаллической решетке.
В гармонической системе волны атомных колебаний могут размножиться свободно. Много волн, неся большое тепло, могут поехать через материал, не ощущая друг друга.
В anharmonic системе, напротив, атомные волны вибрации чувствуют вязкое трение друг против друга. Трение создает своего рода слякоть, которая предотвращает тепловое распространение, во многом как увлажнители вибрации в амортизаторах транспортного средства. Оловянный селенид при проверенных температурах был сильно anharmonic: волны фонона были сильно заглушены, и тепло хорошо содержалось, таким образом, температурный градиент мог быть сохранен.
Автор Co-лидерства Цзяван Хун, постдокторант, работающий с Delaire, управлял квантовыми моделированиями динамики в OLCF использование Эос, суперкомпьютера Cray XC30. Моделирования дисперсии фонона, когда включил программное обеспечение, разработанное командой, показали хорошее соглашение с измерениями рассеивания нейтрона, проведенными в SNS и HFIR автором co-лидерства Ченом Ли, также постдокторантом в команде Делера. Другими авторами газеты был Эндрю Мей и Дипэншу Бэнсэл Материаловедения и Отдела технологий ORNL и Сонгксу Ши, Тао Хуна и Георга Элерса из Квантового Подразделения Конденсированного вещества ORNL.
«С моделированиями мы показали сильные основные основы ангармонизма от нестабильности соединения», сказал Делер. Ниже перехода фазы 810 kelvin (приблизительно 540 градусов по Цельсию или 1 000 градусов по Фаренгейту), электронные орбитали спонтанно реорганизовывают, и решетка принимает структуру аккордеона. Фононы чувствуют эту нестабильность, которая заглушает колебания – создание оловянного селенида выдающийся термоэлектрический материал.
Более полное понимание основных принципов, которые подкрепляют полезные свойства, могло позволить «материалы дизайном». «Из всей энергии, которая входит в американскую экономику каждый год, 60 процентов потеряны в форме отбросного тепла», сказал Делер. «Если Вы можете возвратить даже небольшую часть, Вы можете оказать большое влияние».Улучшение энергетической устойчивости
Термоэлектрические материалы могут поддержать стабильную энергию. Ведомый MIT EFRC, с Национальными лабораториями Ок-Риджа и Брукхевена, Бостонским колледжем и Университетом Хьюстона, продемонстрировал, что термоэлектрические материалы могут быть помещены под солнечными батареями, где перепад температур может произвести электричество дешево.
Фотоэлектрические панели могут быть дорогими, и многие необходимы, чтобы произвести полезные суммы электричества. «С термоэлектрическими материалами, как только у Вас есть температурный дифференциал, Вам только нужно сравнительно небольшое количество материала, чтобы выработать электроэнергию», сказал Делер. «В термоэлектрических устройствах энергетическое преобразование – действительно прямая связь, потому что материал делает всю работу. Нет никаких подвижных частей. Это производит напряжение от температурного градиента. Так понимание и оптимизация материалов ключевые».
Термоэлектрические материалы все еще должны достигнуть более высоких полезных действий для широко распространенного применения, но недавние открытия как понимание динамики оловянного селенида достигли больших шагов в том направлении. Они уже были большими успехами в нишах включая очень длительные космические батареи, разработанные НАСА и САМКОЙ.
«Эта технология очень надежна», сказал Делер. «Вот почему термоэлектрические материалы все еще космический корабль Путешественника НАСА власти спустя 30 лет после его запуска».