Ligas Combinadas Mal Um Bom Fósforo para a Revelação Futura de Dispositivos Termoelétricos do Elevado Desempenho
Empregando alguns dos super-computadores os mais poderosos do mundo, os cientistas no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley mostraram que as ligas combinadas mal são um bom fósforo para a revelação futura de dispositivos termoelétricos do elevado desempenho. Potencial enorme da posse de Thermoelectrics para a produção energética verde devido a sua capacidade ao calor de converso na electricidade.
O Contorno traça mostrar que a densidade eletrônica dos estados em HMAs criou do selenide do zinco pela adição (a) de átomos de oxigênio de 3,125 por cento, e (b) de 6,25 por cento de oxigênio. Os átomos do zinco e do selênio são mostrados na luz - azul e laranja. Os átomos de Oxigênio (obscuridade - azul) são cercados por regiões eletrônicas altas da densidade. (Imagem fornecida por Junqiao Wu)
Computações executadas em "Franklin," um sistema de processamento da paralela de Cray XT4 maciça operado pelo Centro De Elaboração Científico da Investigação Energética Nacional (NERSC), mostrado que a introdução de impurezas do oxigênio em uma classe original de semicondutores conhecidos como ligas altamente combinadas mal (HMAs) pode substancialmente aumentar o desempenho termoelétrico destes materiais sem a degradação habitual na condutibilidade elétrica.
"Nós estamos prevendo uma escala dos materiais baratos, abundantes, não-tóxicos em que a estrutura de faixa pode extensamente ser ajustada para a eficiência termoelétrico máxima," dizemos Junqiao Wu, um físico com Divisão de Ciências dos Materiais do Laboratório de Berkeley e um professor com Departamento de Uc Berkeley da Ciência e da Engenharia de Materiais que conduziu esta pesquisa.
"Especificamente, nós temo-lo mostrado que a hibridação de funções de onda eletrônicas de componentes da liga em HMAs torna possível aumentar o thermopower sem muita redução da condutibilidade elétrica, que não é a caixa para materiais termoelétricos convencionais," dizemos.
Estavam Colaborando com o Wu neste trabalho o Lee de Joo-Hyoung e Jeffrey Grossman, ambos agora em Massachusetts Institute of Technology. A equipe publicou um papel nestes resultados nas Letras Físicas da Revisão intituladas, "Aumentando o Factor de Potência Termoelétrico com Lubrificação Isoelectrónica Altamente Combinada Mal."
Efeito de Seebeck e Energia Verde
Em 1821, o físico Alemão-Estónio Thomas Johann Seebeck observou que uma diferença da temperatura entre duas extremidades de uma barra de metal criou uma corrente elétrica in-between, com a tensão que é directamente proporcional à diferença da temperatura. Este fenômeno tornou-se conhecido como o efeito termoelétrico e de Seebeck mantêm a grande promessa para capturar e converter na electricidade algumas das vastas quantidades de calor agora que estão sendo perdidas na produção turbina-conduzida de corrente eléctrica. Para Que este calor perdido seja recuperado, contudo, a eficiência termoelétrico deve significativamente ser melhorada.
Os "Bons materiais termoelétricos devem ter o thermopower alto, condutibilidade elétrica alta, e baixa condutibilidade térmica," diz Wu. O "Realce no desempenho termoelétrico pode ser conseguido reduzindo a condutibilidade térmica com nanostructuring. Contudo, o desempenho crescente aumentando o thermopower provou difícil porque um aumento no thermopower veio tipicamente à custa de uma diminuição na condutibilidade elétrica."
Para obter em torno deste enigma, Wu e seus colegas giraram para HMAs, uma classe nova incomum de materiais cuja a revelação foi conduzida por um outro físico com Divisão de Ciências dos Materiais do Laboratório de Berkeley, Wladyslaw Walukiewicz. HMAs é formado das ligas que são combinadas mal altamente em termos do electronegativity, que é uma medida de sua capacidade para atrair elétrons. A substituição parcial dos aníons com os íons isoelectrónicos altamente electronegativos torna possível fabricar HMAs cujas as propriedades podem dramàtica ser alteradas com somente uma pequena quantidade de lubrificação. Os Aníons são negativamente - os átomos cobrados e os íons isoelectrónicos são os elementos diferentes que têm configurações eletrônicas idênticas.
"Em HMAs, a hibridação entre estados prolongados do componente da maioria e os estados localizados dos resultados componentes da minoria em uma reestruturação forte da faixa, conduzindo aos picos na densidade eletrônica dos estados e às faixas secundárias novas na estrutura de faixa original," Wu diz. "Devido aos estados prolongados cruzados nestas faixas secundárias, a condutibilidade elétrica alta é mantida pela maior parte apesar da dispersão da liga."
Em seu trabalho teórico, Wu e seus colegas descobriram que este tipo de engenharia da estrutura eletrônica pode ser extremamente benéfico para o thermoelectricity. Trabalhando com o selenide do zinco do semicondutor, simularam a introdução de duas concentrações diluídas de átomos de oxigênio (3,125 e 6,25 por cento respectivamente) para criar HMAs modelo. Em ambos os casos, as impurezas do oxigênio foram mostradas para induzir picos na densidade eletrônica dos estados acima do mínimo da faixa de condução. Igualmente mostrou-se que as densidades de carga perto da densidade de picos do estado estiveram atraídas substancialmente para os átomos de oxigênio altamente electronegativos.
Wu e seus colegas encontraram que para cada um das encenações da simulação, os picos impureza-induzidos na densidade eletrônica dos estados conduziram a um "forte aumento" do thermopower e a condutibilidade elétrica comparou ao selenide oxigênio-livre do zinco. Os aumentos eram por factores de 30 e de 180 respectivamente.
"Além Disso, este efeito está encontrado para ser ausente quando o electronegativity da impureza combina o anfitrião que substitui," Wu diz. "Estes resultados sugerem que as ligas altamente electronegativity-combinadas mal possam ser projectadas para aplicações termoelétricos do elevado desempenho."
Wu e seu grupo de investigação estão trabalhando agora para sintetizar realmente HMAs para o teste físico no laboratório. Além do que a captura da energia que está sendo desperdiçada agora, Wu acredita que o thermoelectrics HMA-baseado pode igualmente ser usado para refrigerar de circuito integrado, em que um dispositivo termoelétrico é usado para refrigerar outros dispositivos ou materiais.
"Os refrigeradores Termoelétricos têm vantagens sobre a tecnologia convencional da refrigeração que não têm nenhuma peça movente, precisam pouca manutenção, e trabalho em uma escala espacial muito menor," Wu diz.
Este projecto foi apoiado sob o Programa Dirigido Laboratório da Investigação e Desenvolvimento do Laboratório de Berkeley.