Для использования термоэлектрических материалов в самых разных областях, таких как сталелитейные заводы и транспорт, они должны работать как в высокотемпературных, так и в низкотемпературных режимах. В связи с этим «сплавы на основе никеля полугейслера» в настоящее время находятся в центре внимания благодаря их привлекательной термоэлектрической эффективности, механической прочности и долговечности.
Хотя много усилий было направлено на понимание и улучшение этих своеобразных сплавов, ученым было трудно объяснить, почему сплавы на основе никеля полугейслера имеют такую высокую эффективность преобразования. Некоторые предположили, что дефекты кристаллической структуры материала увеличивают его теплопроводность и, в свою очередь, его эффективность преобразования. Однако кристаллическая структура вокруг дефектов неизвестна, как и их конкретный вклад.
В недавнем исследовании, опубликованном в Scientific Reports, группа ученых из Японии и Турции во главе с доцентом Хидетоси Миядзаки из Технологического института Нагоя, Япония, попыталась прояснить этот вопрос!
Их исследования объединили теоретический и экспериментальный анализ в форме крупномасштабного моделирования кристаллической структуры и X?Спектры тонкой структуры поглощения лучей (XAFS) на сплавах NiZrSn.
Используя эти методы, команда сначала рассчитала структурные эффекты, которые дополнительный атом (дефект) Ni мог бы иметь в расположении кристаллов NiZrSn.
Затем они проверили теоретические предсказания с помощью различных типов измерений XAFS, как Dr. Миядзаки объясняет: «В наших теоретических рамках мы предположили, что искажения кристаллической решетки являются следствием атомных дефектов, чтобы выполнить расчеты зонной структуры из первых принципов.
XAFS позволил получить подробную информацию о локальной кристаллической структуре вокруг атомных дефектов путем сравнения экспериментальных и теоретических спектров кристаллической структуры."Эти наблюдения позволили ученым точно определить напряжение, которое дефекты Ni вызывают в соседних атомах. Они также проанализировали механизмы, с помощью которых эти изменения приводят к более высокой теплопроводности (и эффективности преобразования).
Результаты этого исследования будут иметь решающее значение для развития термоэлектрических технологий, как сказал д-р. Миядзаки отмечает: «Мы ожидаем, что наши результаты будут способствовать разработке стратегии, сосредоточенной на контроле деформации вокруг дефектных атомов, что, в свою очередь, позволит нам создавать новые и лучшие термоэлектрические материалы."Надеюсь, это приведет к скачку в технологии термоэлектрического преобразования и ускорит переход к менее расточительному, декарбонизированному обществу, в котором избыточное тепло не просто сбрасывается, а используется как источник энергии.
В заключение, доктор. Миядзаки подчеркивает, что методы, используемые для наблюдения за тонкими изменениями деформации в кристаллических структурах, могут быть легко адаптированы к другим типам материалов, например к материалам, предназначенным для спинтроники и катализаторам.
Конечно, есть много выгод от изучения мелких деталей в материаловедении, и мы можем быть уверены, что это исследование знаменует собой шаг в правильном направлении к лучшему будущему!