Силицид магния (Mg2Si) является особенно многообещающим термоэлектрическим материалом с высокой добротностью (ZT) – показателем его конверсионных характеристик. Хотя ученые ранее отмечали, что легирование Mg2Si небольшим количеством примесей улучшает его ZT за счет увеличения его электропроводности и снижения теплопроводности, основные механизмы этих изменений были неизвестны – до сих пор.
В недавнем совместном исследовании, опубликованном в качестве избранной статьи в журнале Applied Physics Letters, ученые из Токийского научного университета (TUS), Японского научно-исследовательского института синхротронного излучения (JASRI) и Университета Симанэ, Япония, объединились, чтобы раскрыть тайны улучшенного производительность Mg2Si, легированного сурьмой (Sb). Доктор Масато Коцуги из TUS, который является автором-корреспондентом исследования, объясняет их мотивацию: «Хотя было обнаружено, что примеси Sb увеличивают ZT Mg2Si, результирующие изменения в локальной структуре и электронных состояниях, которые вызывают этот эффект, не были выяснено экспериментально. Эта информация имеет решающее значение для понимания механизмов, лежащих в основе термоэлектрических характеристик, и улучшения термоэлектрических материалов следующего поколения."
Но как они могли анализировать влияние примесей Sb на Mg2Si на атомном уровне?? Ответ заключается в расширенном анализе тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей (EXAFS) и жесткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (HAXPES), как объясняют доктор Масато Коцуги и г-н Томоюки Кадоно, который является первым автором исследования: «EXAFS позволяет нам идентифицирует локальную структуру вокруг возбужденного атома и обладает высокой чувствительностью к разбавленным элементам (примесям) в материале, что может быть точно идентифицировано с помощью измерений флуоресценции. С другой стороны, HAXPES позволяет нам напрямую исследовать электронные состояния глубоко в объеме материала без нежелательного влияния окисления поверхности."Однако такие мощные методы не выполняются на обычном оборудовании. Эксперименты проводились на SPring-8, одном из самых важных в мире крупных комплексов рентгеновского синхротронного излучения, с помощью доктора Акиры Ясуи и доктора Киёфуми Нитта из JASRI.
Ученые дополнили эти экспериментальные методы теоретическими расчетами, чтобы пролить свет на точное влияние примесей в Mg2Si. Эти теоретические расчеты были выполнены доктором Наоми Хираяма из Университета Симанэ. «Сочетание теоретических расчетов с экспериментами – вот что дало уникальные результаты в нашем исследовании», – говорит она.
Ученые обнаружили, что атомы Sb занимают место атомов Si в кристаллической решетке Mg2Si и вносят небольшое искажение в межатомные расстояния. Это может способствовать явлению, называемому рассеянием фононов, которое снижает теплопроводность материала и, в свою очередь, увеличивает его ZT.
Более того, поскольку атомы Sb содержат на один валентный электрон больше, чем Si, они эффективно обеспечивают дополнительные носители заряда, которые перекрывают разрыв между валентной зоной и зоной проводимости; Другими словами, примеси Sb разблокируют энергетические состояния, которые облегчают скачок энергии, необходимый электронам для циркуляции. В результате увеличивается электропроводность легированного Mg2Si и увеличивается его ZT.
Это исследование значительно углубило наше понимание легирования термоэлектрических материалов, и его результаты должны служить руководством для инновационной инженерии материалов.
Доктор Цутому Иида, ведущий научный сотрудник исследования, говорит: «В моем видении будущего отработанное тепло от автомобилей эффективно преобразуется в электричество для обеспечения экологически чистого общества."К счастью, мы могли бы быть на шаг ближе к осуществлению этой мечты.