Een nieuwe methode om thermo-elektrische materialen te evalueren

In samenwerking met een van ’s werelds meest vooraanstaande onderzoekers op het gebied van thermo-elektrische materialen heeft een team van onderzoekers van het Clemson Department of Physics and Astronomy en het Clemson Nanomaterials Institute (CNI) een nieuwe, onfeilbare methode ontwikkeld om thermo-elektrische materialen te evalueren.

Department of Physics and Astronomy Research Assistant Professor Sriparna Bhattacharya, Engineer Herbert Behlow, en CNI Founding Director Apparao Rao werkten samen met de wereldberoemde onderzoeker HJ Goldsmid, emeritus professor aan de University of New South Wales (UNSW) in Sydney, Australië, om een one-stop-methode voor het evalueren van de efficiëntie van thermo-elektrische materialen.

Goldsmid wordt door velen beschouwd als de “vader van de thermo-elektriciteit” vanwege zijn pionierswerk op het gebied van thermo-elektrische materialen. Bhattacharya kwam voor het eerst in contact met Goldsmid op LinkedIn en vertelde hem dat ze een van zijn theoretische voorspellingen had bevestigd tijdens haar afstudeeronderzoek aan de Clemson University.

Later deelde Bhattacharya een paper die ze met Rao had geschreven nadat ze zich bij zijn onderzoeksgroep had aangesloten. Goldsmid vertelde haar dat hij een nieuwe methode in gedachten had om thermo-elektriciteit te bestuderen en deelde zijn theorie van één pagina met haar. Hij was toen 89 jaar oud en begon enthousiast samen te werken met de CNI-onderzoekers omdat hij Bhattacharya beschouwde als onderdeel van zijn eigen onderzoeksfamilie.

Thermo-elektrische materialen gebruiken een temperatuurgradiënt (DT) om elektriciteit op te wekken. Ze kunnen worden gebruikt voor energieopwekking door warmte om te zetten in elektriciteit (Seebeck-methode) of koeling door elektriciteit om te zetten in koeling (Peltier-methode). Thermo-elektrische materialen worden gebruikt in toepassingen variërend van NASA-ruimtemissies tot stoelverwarming en -koelers in voertuigen.

De efficiëntie van thermo-elektrische materialen wordt gemeten door een cijfer van verdienste, of zT, die rekening houdt met de temperatuur, elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid van het materiaal. De traditionele methode om zT te bepalen, vereist twee metingen met verschillende sets apparatuur, iets waardoor onderzoekers soms onjuiste resultaten rapporteren.

Met andere woorden, onderzoekers meten soms ten onrechte elektrische geleidbaarheid (ladingsstroom) en thermische geleidbaarheid (warmtestroom) langs verschillende richtingen in hun monster wanneer het van het ene instrument naar het andere wordt geschakeld.

Peltier-koeling was niet eerder gebruikt voor het evalueren van zT vanwege een hoge DT of het maximaal haalbare verschil in temperatuur tussen de koude las en de omgeving. “We gebruikten thermokoppels die een metaal- en een halfgeleiderovergang bevatten om de DT tot een veel smaller bereik te verkleinen, zodat de temperatuurafhankelijke zT met een hogere resolutie kan worden bepaald, ” zei Behlow.

“Het idee om een ​​metaal en een halfgeleider te gebruiken om DT te verminderen, was verborgen in het volle zicht totdat professor Goldsmid inzag dat dit het geval was en deze nieuwe methode voor het meten van zT voorstelde,” voegde Behlow eraan toe.

“De experimentele opstelling die we bij CNI hebben ontwikkeld (met de hulp van de afdeling Physics and Astronomy Instrument Shop) om de theorie van professor Goldsmid te testen, zorgt ervoor dat de ladingsstroom en de warmtestroom in dezelfde richting in het monster worden gemeten,” zei Rao. “Daarom biedt onze methode door het ontwerp nauwkeurige zT.”

Isabel Rancu, een middelbare scholier aan de South Carolina Governor’s School for Science and Mathematics, droeg ook bij aan het onderzoek. Rancu, die met het team werkte via Clemson’s zomerprogramma voor onderzoeksstagiairs, verifieerde onafhankelijk de modelberekeningen die door Behlow werden gerapporteerd.

Het bismuttelluride-monster dat in het onderzoek werd gebruikt, werd gesynthetiseerd door hoofddocent Pooja Puneet van de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde als onderdeel van haar promotieonderzoek.

Het UNSW-Clemson-onderzoek getiteld “Thermoelectric figure-of-merit from Peltier cooling” werd in november gepubliceerd in het Tijdschrift voor toegepaste natuurkunde. Het werd geselecteerd als een “keuze van de redactie”, wat het team beschouwt als een eerbetoon aan Goldsmid.