Термоэлектрические материалы (ТЕ) могут сыграть ключевую роль в будущих технологиях. Хотя применение этих замечательных соединений давно изучено, их в основном используют в высокотемпературных устройствах. Недавно исследователи из Университета Осаки в сотрудничестве с Hitachi, Ltd., разработали новый материал TE с улучшенным коэффициентом мощности при комнатной температуре.

Подпись к изображению: Трехмерная кристаллическая структура YbSi2, (b) вид вдоль оси a и (c) вдоль оси c.

Материалы TE демонстрируют термоэлектрический эффект: если подавать тепло с одной стороны, то начинает протекать электрический ток. И, наоборот, при пропускании тока через устройство, образуется градиент температуры; т.е. одна сторона становится более горячей, чем другая. Благодаря взаимному преобразованию тепла и электричества материалы TE могут использоваться как в качестве генераторов (при наличии источника тепла), так и в холодильниках (при наличии источника питания).

Идеальный материал TE сочетает в себе высокую электропроводность с низкой теплопроводностью, что предотвращает выравнивание температурного градиента. Производительность генерации энергии в основном зависит от «коэффициента мощности», который пропорционален как электропроводности, так и коэффициенту Зеебека.

К сожалению, большинство материалов TE часто изготавливаются из редких или токсичных химических элементов. Чтобы решить эту проблему, исследователи объединили кремний, который является обычным в материалах ТЕ, с иттербием, для создания силицида иттербия [YbSi 2].

Соединения иттербия являются хорошими электрическими проводниками, к тому же YbSi не токсичен. Кроме того, это соединение имеет специфическое свойство валентных флуктуации, которые делают его хорошим материалом для ТЕ при низких температурах.

Первое преимущество YbSi 2 состоит в том, что атомы Yb имеют сразу два валентных состояний, как +2, так и +3. Эта флуктуация, также известная как резонанс Кондо, увеличивает коэффициент Зеебека при сохранении металлической высокой электропроводности при низкой температуре, что увеличивает коэффициент мощности.

Во-вторых, YbSi 2 имеет необычную слоистую структуру. В то время как атомы Yb занимают кристаллографические плоскости, похожие на чистый металл Yb, атомы Si образуют гексагональные листы между этими плоскостями, похожими на углеродные листы в графите. Это блокирует теплопроводность материала и, следовательно, сохраняя температурный градиент. Исследователи полагают, что теплопроводность дополнительно подавляется путем контроля структуры в наномасштабе и следами примесей и других дефектов.

Результатом является ободряюще высокий коэффициент мощности 2,2 мВт -1 К -2 при комнатной температуре. Это конкурирует с обычными материалами ТЕ на основе теллурида висмута.