Betere meetwaarden voor thermo-elektrische materialen betekent betere ontwerpstrategieën

Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben aangetoond dat een hoeveelheid die bekend staat als thermo-elektrische geleidbaarheid een effectieve maat is voor de dimensionaliteit van nieuw ontwikkelde thermo-elektrische nanomaterialen. Bij het bestuderen van films van halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuisjes en atomair dunne vellen molybdeensulfide en grafeen, vonden ze duidelijke verschillen in hoe dit aantal varieert met de geleidbaarheid, in overeenstemming met theoretische voorspellingen in 1D- en 2D-materialen. Zo’n statistiek belooft betere ontwerpstrategieën voor thermo-elektrische materialen.

Thermo-elektrische apparaten nemen temperatuurverschillen tussen verschillende materialen op en wekken elektrische energie op. Het eenvoudigste voorbeeld is twee stroken van verschillende metalen die aan beide uiteinden aan elkaar zijn gelast om een ​​lus te vormen; Door een van de knooppunten te verwarmen en de andere koel te houden, ontstaat er een elektrische stroom. Dit wordt het Seebeck-effect genoemd. De mogelijke toepassingen ervan beloven een effectief gebruik van de enorme hoeveelheid stroom die wordt verspild als gedissipeerde warmte in het dagelijks leven, of het nu gaat om krachtoverbrenging, industriële uitlaatgassen of zelfs lichaamswarmte. In 1993 werd getheoretiseerd dat atomair dunne, eendimensionale materialen de ideale mix van eigenschappen zouden hebben die nodig zijn om efficiënte thermo-elektrische apparaten te maken. De resulterende zoektocht leidde ertoe dat nanomaterialen zoals halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT’s) werden toegepast.

Er was echter een voortdurend probleem waardoor nieuwe ontwerpen en systemen niet nauwkeurig konden worden gekarakteriseerd. De belangrijkste eigenschappen van thermo-elektrische apparaten zijn thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid en de Seebeck-coëfficiënt, een maat voor hoeveel spanning wordt gecreëerd op het grensvlak tussen verschillende materialen voor een bepaald temperatuurverschil. Naarmate de materiaalwetenschap het tijdperk van de nanotechnologie bereikte, waren deze cijfers niet voldoende om een ​​belangrijke eigenschap uit te drukken van de nieuwe nanomaterialen die werden gemaakt: de “dimensionaliteit” van het materiaal, of hoe 1D, 2D of 3D-achtig het materiaal zich gedraagt. . Zonder een betrouwbare, ondubbelzinnige maatstaf wordt het moeilijk om nieuwe materialen te bespreken, laat staan ​​te optimaliseren, met name hoe de dimensionaliteit van hun structuur leidt tot verbeterde thermo-elektrische prestaties.

Om dit dilemma aan te pakken, ging een team onder leiding van professor Kazuhiro Yanagi van de Tokyo Metropolitan University op zoek naar een nieuwe parameter die onlangs werd gemarkeerd door theoretische studies, de “thermo-elektrische geleidbaarheid”. In tegenstelling tot de Seebeck-coëfficiënt, bevestigden de theoretische berekeningen van het team dat deze waarde anders varieerde met een verhoogde geleidbaarheid voor 1D-, 2D- en 3D-systemen. Ze bevestigden dit ook experimenteel door dunne films van enkelwandige koolstofnanobuisjes te maken, evenals atomair dunne vellen van molybdeensulfide en grafeen, archetypische materialen in respectievelijk 1D en 2D. Metingen toonden onomstotelijk aan dat de thermo-elektrische geleidbaarheid van het 1D-materiaal afnam bij hogere geleidbaarheidswaarden, terwijl de curve voor 2D-materialen een plateau bereikte. Ze merken ook op dat dit aantoont hoe de dimensionaliteit van het materiaal behouden blijft, zelfs wanneer het materiaal wordt geprepareerd in macroscopische films, een grote stimulans voor pogingen om de specifieke dimensionaliteit van bepaalde structuren te benutten om de thermo-elektrische prestaties te verbeteren.

Gecombineerd met theoretische berekeningen, concludeert het team dat een hoge thermo-elektrische geleiding, hoge conventionele elektrische geleiding en lage thermische geleidbaarheid belangrijke doelen zijn voor de engineering van nieuwe apparaten. Ze hopen dat deze meetbare, tastbare doelen de broodnodige duidelijkheid en eenheid zullen brengen in de ontwikkeling van ultramoderne thermo-elektrische apparaten.