«Он поддерживает высокие показатели качества при всех температурах, поэтому потенциально может иметь важное значение для приложений в будущем», – сказал физик Чжифэн Рен, директор Техасского центра сверхпроводимости при Хьюстонском университете (TcSUH) и автор-корреспондент на документ, сообщающий о работе, опубликованный в Nature Communications.
Термоэлектрические материалы привлекают все больший интерес в исследовательском сообществе как потенциальный источник «чистой» энергии, вырабатываемой, когда материал преобразует тепло – часто отработанное тепло, вырабатываемое электростанциями или другими промышленными процессами, – в электричество.
Был обнаружен ряд многообещающих материалов, хотя большинство из них не смогли удовлетворить все требования для широко распространенных коммерческих приложений.
Исследователи заявили, что их открытие соединений полугейслера, состоящих из тантала, железа и сурьмы, дало результаты, которые «весьма многообещающие для термоэлектрической генерации."
Исследователи измерили эффективность преобразования одного соединения при 11.4 процента – означает произведенный материал 11.4 Вт электроэнергии на каждые 100 Вт тепла, потребляемого. Теоретические расчеты показывают, что эффективность может достигнуть 14 процентов, сказал Рен, который также является М.D. Андерсон, профессор физики в UH.
Он отметил, что многие термоэлектрические устройства найдут практическое применение с эффективностью преобразования 10 процентов.
Всего исследователи предсказали шесть ранее неизвестных соединений и успешно синтезировали одно, которое обеспечило высокую производительность без использования дорогостоящих элементов.
«Мы обнаружили 6 недокументированных соединений, и 5 из них стабильны с кристаллической структурой полугейслера», – писали они. «Полу-Гейслера на основе TaFeSb p-типа, одно из соединений, обнаруженных в этой работе, продемонстрировало очень многообещающие термоэлектрические характеристики."
Помимо Рена и сотрудников его лаборатории, в работе участвовали дополнительные исследователи из UH; Университет Миссури; Массачусетский технологический институт; Пекинская национальная лаборатория физики конденсированных сред Китайской академии наук; Юго-Западный университет в Чунцине, Китай; Институт металлических материалов в Дрездене, Германия; Университет электронных наук и технологий Китая; и Шанхайский университет.
Опираясь на теоретические расчеты для предсказания соединений, которые, как ожидается, будут иметь высокие термоэлектрические характеристики, исследователи смогли выделить наиболее многообещающие соединения. Но на самом деле создание материалов, состоящих из тантала, железа и сурьмы, усилие, возглавляемое исследователями, получившими докторскую степень, и первыми авторами Хантян Чжу и Цзюнь Мао, оказалось сложным, отчасти потому, что компоненты обладают такими несопоставимыми физическими свойствами.
Тантал, например, имеет температуру плавления выше 3000 градусов по Цельсию, а температура плавления сурьмы составляет 630 градусов по Цельсию. Тантал твердый, а сурьма относительно мягкая, что затрудняет дуговую плавку – распространенный метод соединения материалов.
Они смогли изготовить компаунд, используя комбинацию шаровой мельницы и горячего прессования.
Исследователи заявили, что после того, как соединение было сформировано, оно обеспечило как необходимые физические свойства, так и механические свойства, которые обеспечили бы структурную целостность.
Рен сказал, что все используемые элементы относительно доступны и недороги, что делает состав экономичным.
В дополнение к свойствам самого соединения, исследователи заявили, что их результаты предлагают сильную поддержку для дальнейшего использования вычислительных методов для направления экспериментальных усилий.
«Следует отметить, что тщательный экспериментальный синтез и оценка соединения являются дорогостоящими, в то время как большинство теоретических расчетов, особенно применяемых в режимах высокой производительности, относительно недороги», – пишут они. "Таким образом, было бы полезно использовать более сложные теоретические исследования для прогнозирования соединений, прежде чем направлять усилия на тщательное экспериментальное исследование."
Помимо Рен, Чжу и Мао, соавторами статьи являются Цин Чжу, Цзихан Лю, Тянь Тонг и Цзимин Бао, все с UH; Ювэй Ли, Цзифэн Сун, Юхао Фу и Дэвид Дж.
Сингх из Университета Миссури; Юмей Ван из Пекинской национальной лаборатории физики конденсированных сред Китайской академии наук; Гуаннань Ли из Юго-Западного университета в Чунцине, Китай; Цичен Сун, Цзявэй Чжоу и Ган Чен из Массачусетского технологического института; Ран Хе, Андре Сотников и Корнелиус Нильш из Института металлических материалов в Дрездене, Германия; Wuyang Ren и Zhiming Wang из Университета электронных наук и технологий Китая; Ли Ю и Цзюнь Ло из Шанхайского университета.