Текущие и потенциальные будущие применения варьируются от не требующих обслуживания твердотельного охлаждения до компактного производства электроэнергии с нулевым выбросом углерода, которое может включать в себя небольшие персональные устройства, работающие от собственного тепла тела.
«Разделение электронного (на основе электронов) и теплового (на основе фононов) транспорта изменит правила игры в этой отрасли», – говорит профессор Сяолинь Ван из UOW.
Термоэлектрические приложения и проблемы
Материалы на основе теллурида висмута (Bi2Te3, Sb2Te3 и их сплавы) являются наиболее успешными коммерчески доступными термоэлектрическими материалами, с текущими и будущими применениями, которые делятся на две категории: преобразование электричества в тепло и наоборот:
Преобразование электричества в тепло: надежное твердотельное охлаждение (тепловой насос), не требующее особого обслуживания, без движущихся частей, шума и вибрации.
Преобразование тепла в электричество, включая выработку энергии без использования ископаемых углеводородов из широкого спектра источников тепла или бесплатное питание микроустройств с использованием температуры окружающей среды или тела.
«Сбор тепла» использует бесплатные, многочисленные источники тепла, обеспечиваемые теплом тела, автомобилями, повседневной жизнью и производственными процессами. Без батарей или источника питания термоэлектрические материалы могут использоваться для питания интеллектуальных датчиков в удаленных, труднодоступных местах.
Постоянной проблемой термоэлектрических материалов является баланс электрических и тепловых свойств: в большинстве случаев улучшение электрических свойств материала (более высокая электропроводность) означает ухудшение тепловых свойств (более высокая теплопроводность) и наоборот.
«Ключ состоит в том, чтобы разделить тепловой транспорт и электрический транспорт», – говорит ведущий автор, аспирант Гуансай Ян.
Повышенная эффективность за счет развязки
Команда добавила небольшое количество аморфных наночастиц бора в термоэлектрические материалы на основе теллурида висмута, используя разработку нанодефектов и структурное проектирование.
Аморфные наночастицы бора вводились методом искрового плазменного спекания (SPS).
«Это снижает теплопроводность материала и в то же время увеличивает его передачу электронов», – объясняет автор-корреспондент профессор Сяолинь Ван.
«Секрет термоэлектрической инженерии материалов заключается в управлении переносом фононов и электронов», – объясняет профессор Ван.
Поскольку электроны переносят тепло и проводят электричество, инженерия материалов, основанная только на переносе электронов, склонна к постоянному компромиссу между тепловыми и электрическими свойствами.
Фононы же несут только тепло. Следовательно, блокирование фононного транспорта снижает теплопроводность, вызванную колебаниями решетки, не влияя на электронные свойства.
«Ключом к повышению термоэлектрической эффективности является минимизация теплового потока за счет блокировки фононов и максимизация потока электронов через (передачу электронов)», – говорит Гуансай Янг. «Отсюда рекордно высокий термоэлектрический КПД наших материалов."
Результат – рекордная эффективность преобразования 11.3%, что на 60% лучше, чем у имеющихся в продаже материалов, полученных методом зонной плавки.
Помимо того, что материалы на основе теллурида висмута являются наиболее успешными коммерчески доступными термоэлектрическими материалами, они также являются типичными топологическими изоляторами.
Изучение
«Сверхвысокие термоэлектрические характеристики в объемных композитах BiSbTe / аморфный бор с нанодефектной архитектурой» были опубликованы в журнале Advanced Energy Materials в сентябре 2020 года и выбраны в качестве обложки для ноябрьского выпуска.
Помимо поддержки Австралийского исследовательского совета (программы Future Fellowship, Center of Excellence и Linkage Infrastructure Equipment and Facility), финансирование было получено от Китайского совета по стипендиям и Национального фонда естественных наук Китая.
Экспериментальные помещения включали Центр электронной микроскопии Университета Вуллонгонга при технической поддержке Австралийского центра микроскопии и микроанализа (ACMM) при Сиднейском университете.
Новые исследования материалов в FLEET
Свойства новых и атомарно тонких материалов изучаются в FLEET, Центре передового опыта Австралийского научно-исследовательского совета, в рамках Технологии A, разработанной Центром.
Центр будущих технологий низкоэнергетической электроники (FLEET) – это сотрудничество более сотни исследователей, стремящихся разработать сверхнизкоэнергетическую электронику для решения проблемы использования энергии в вычислениях, которые уже потребляют 8% мировой электроэнергии и удваивается каждое десятилетие.
Руководитель проекта и соавтор, профессор Сяолинь Ван, возглавляет узел FLEET в Университете Вуллонгонга, а также возглавляет группу по разработке новых и атомарно тонких материалов, лежащих в основе поиска FLEET электроники со сверхнизким энергопотреблением, управляя синтезом и описанием новых 2D-материалов в Университет Вуллонгонга