Физики разрабатывают новые термоэлектрические материалы

Исследователи обнаружили, что топологические полуметаллы, подверженные экстремальным магнитным полям, могут быть высокоэффективными термоэлектрическими инструментами.

Термоэлектричество, также называемое эффектом Пельтье-Зеебека, представляет собой двухсторонний процесс, который состоит из прямого преобразования разностей температур в электричество и наоборот. В течение последних 60 лет ученые безуспешно изучали материалы, которые могут эффективно преобразовывать тепло.

Новое исследование Массачусетского технологического института (MIT), опубликованное в  Science Advances, представляет материал, способный значительно увеличить потенциал термоэлектричества. Физики Брайан Скиннер (Brian Skinner) и Лян Фу (Liang Fu) смоделировали эффект, при котором новый термоэлектрик стал в пять раз эффективнее и способен генерировать вдвое больше энергии, чем лучшие термоэлектрики, известные сегодня.

В своей работе Сканер и Фу сосредоточились на изучении термоэлектрических свойств топологических полуметаллов. Их уникальность заключается в нулевой запрещённой зоне – свойство, позволяющее электронам легко переходить на более высокие энергетические уровни при нагреве.

Однако, если одну сторону материала нагревать, то на другой, холодной стороне будут накапливаться не только возбужденные электроны, но и оставляемые ими за собой положительно заряженные «дырки», и суммарный термоэлектрический эффект будет весьма незначительным.

Решение возникшей проблемы было найдено в статье пятилетней давности, где команда Принстонского университета сообщала об интересных особенностях поведения топологического материала (селенида свинца/олова) в сильном магнитном поле.

«В конце концов мы выяснили забавную вещь, в сильном магнитном поле можно заставить электроны и дыры двигаться в противоположных направлениях, – говорит Скиннер. – Электроны движутся к холодной, а дыры к горячей стороне. Они работают сообща, и в принципе вы можете извлекать большее и большее напряжение из того же материала, просто усиливая магнитное поле».

Группа теоретически рассчитала термоэлектрическую добротность (ZT) свинцового оловянного селенида – показатель, который говорит, насколько близок материал к теоретическому пределу генерирования энергии из тепла. ZT самых эффективных среди известных до сих пор термоэлектрических материалов составляет около 2.  Скиннер и Фу обнаружили, что при воздействии на селенид свинца/олова магнитным полем интенсивностью в 30 тесла его ZT возрастает до 10 – в пять раз больше, чем у лучших термоэлектриков.

Согласно результатам этого моделирования, если нагреть этот материал от комнатной температуры до 500 К, то он сможет преобразовать 18% полученного тепла в электричество.

Авторы признают, что такой эффект сегодня может быть реализован от силы в десятке магнитных лабораторий во всем мире. Для того чтобы его стало практично использовать в автомобилях или электростанциях, интенсивность магнитного поля требуется снизить до 1–2 тесла.

Фу считает это вполне достижимым, если удастся получить топологический полуметалл достаточной чистоты, с ничтожно малым количеством дефектов, мешающих течению электронов. Добиться нужной чистоты очень сложно, но решением проблем выращивания высококачественных материалов сегодня занято множество исследователей в ведущих лабораториях.

Кроме того, Фу напомнил, что селенид, с которым они работали, это не самый чистый из синтезированных учёными полуметаллов. Другими словами, уже есть более качественные материалы, которые, возможно, будут генерировать то же количество энергии в менее сильном магнитном поле.

Экспериментальной проверкой этого допущения авторы сейчас и занимаются в сотрудничестве с Принстонским университетом. опубликовано econet.ru  

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet