«Мы провели первые всесторонние измерения атомных колебаний в этом важном новом термоэлектрическом материале», — сказал старший автор Оливье Делер из отдела материаловедения и технологий ORNL. «Мы обнаружили причину его очень низкой теплопроводности, которая приводит к его высокой эффективности». Оказывается, необычные атомные колебания помогают предотвратить «утечку тепла», увеличивая преобразование в электричество.Управление науки Министерства энергетики США, которое занимается разработкой материалов для энергетических технологий, спонсировало исследование, проведенное под руководством Исследовательского центра Energy Frontier под руководством Массачусетского технологического института. Исследователи использовали три объекта управления науки Министерства энергетики в ORNL — источник нейтронов расщепления, реактор с изотопным потоком с высоким потоком и вычислительный центр Oak Ridge Leadership Computing.
Благодаря эффекту Зеебека термоэлектрические устройства вырабатывают напряжение и генерируют электрический ток при сохранении разницы температур. Или, при питании от внешнего источника электроэнергии, устройства могут активно откачивать тепло для холодоснабжения.Чтобы сохранить приемлемый температурный градиент, термоэлектрические материалы должны быть хорошими проводниками электричества, но плохими проводниками тепла.
В 2014 году исследователи из Северо-Западного университета обнаружили, что недорогой селенид олова может быть самым эффективным термоэлектрическим материалом в мире.Исследователи ORNL наблюдали атомные колебания, лежащие в основе теплового потока, называемые фононами, и пытались понять их происхождение с точки зрения электронной структуры и химии.«Мы обнаружили, что именно эта фононная мода нестабильна,« зависает », — сказал Делер. «Если вы охладите материал, он перейдет из неискаженного в искаженный, а когда вы его нагреете, искажение исчезнет. Это атомный механизм, лежащий в основе замораживания этой конкретной фононной моды».
Знания, полученные командой, могут помочь усилиям по управлению теплопереносом в широком спектре технологий, связанных с энергетикой, включая термобарьерные покрытия, ядерное топливо и электронику большой мощности.Ключ к высокой эффективности селенида олова был обнаружен путем исследования динамики атомов в кристаллической решетке.
В гармонической системе волны атомных колебаний могут свободно распространяться. Многие волны, переносящие много тепла, могут проходить сквозь материал, не ощущая друг друга. Напротив, в ангармонической системе атомные колебательные волны ощущают вязкое трение друг о друга. Трение создает своего рода слякоть, которая предотвращает распространение тепла, подобно гасителям вибрации в амортизаторах автомобиля.
Селенид олова при испытанных температурах был сильно ангармоничным: фононные волны были сильно затухающими, а тепло хорошо сдерживалось, поэтому температурный градиент мог сохраняться.Со-ведущий автор Цзяванг Хун, научный сотрудник, работавший с Делером, провел моделирование квантовой динамики в OLCF, используя Eos, суперкомпьютер Cray XC30.
Моделирование фононной дисперсии при включении в программное обеспечение, разработанное командой, показало хорошее согласие с измерениями рассеяния нейтронов, сделанными в SNS и HFIR одним из ведущих авторов Чен Ли, также докторантом в команде Делера. Другими авторами статьи были Эндрю Мэй и Дипаншу Бансал из отдела материаловедения и технологий ORNL и Сонгсю Чи, Тао Хун и Георг Элерс из отдела квантовой конденсированной материи ORNL.«С помощью моделирования мы показали, что сильный ангармонизм проистекает из нестабильности связей», — сказал Делер.
Ниже фазового перехода 810 кельвинов (около 540 градусов по Цельсию или 1000 градусов по Фаренгейту) электронные орбитали спонтанно реорганизуются, и решетка принимает структуру гармошки. Фононы чувствуют эту нестабильность, которая гасит колебания, что делает селенид олова выдающимся термоэлектрическим материалом.
Более полное понимание фундаментальных принципов, лежащих в основе полезных свойств, может сделать возможным использование материалов «по дизайну». «Из всей энергии, которая ежегодно расходуется на экономику США, 60 процентов теряется в виде отработанного тепла», — сказал Делер. «Если вы сможете отбить хотя бы небольшую долю, вы можете иметь большое влияние».Повышение энергетической устойчивостиТермоэлектрические материалы могут поддерживать устойчивую энергетику.
EFRC под руководством Массачусетского технологического института совместно с национальными лабораториями Ок-Ридж и Брукхейвен, Бостонским колледжем и Хьюстонским университетом продемонстрировали, что термоэлектрические материалы можно размещать под солнечными панелями, где из-за разницы температур можно дешево производить электричество.Фотоэлектрические панели могут быть дорогими, и многие из них необходимы для выработки полезного количества электроэнергии. «В случае термоэлектрических материалов, когда у вас есть разница температур, вам понадобится сравнительно небольшое количество материала для производства электричества», — сказал Делер. «В термоэлектрических устройствах преобразование энергии на самом деле является прямым звеном, потому что всю работу выполняет материал.
Здесь нет движущихся частей. Он генерирует напряжение в результате температурного градиента. Поэтому понимание и оптимизация материалов является ключевым моментом».
Термоэлектрические материалы все еще нуждаются в повышении эффективности для широкого применения, но недавние открытия, такие как понимание динамики селенида олова, сделали большие шаги в этом направлении. Они уже добились больших успехов в нишах, включая очень долговечные космические батареи, разработанные НАСА и Министерством энергетики США.
«Эта технология очень надежна», — сказал Делер. «Вот почему термоэлектрические материалы все еще используются в космическом корабле НАСА« Вояджер »спустя 30 лет после его запуска».