В мире материалов, которые обычно расширяются при нагревании, появляется материал, который сжимается вдоль трехмерной оси, а расширяется вдоль другой. Это особенно верно, когда необычная усадка связана с важным свойством термоэлектрических устройств, преобразующих тепло в электричество или электричество в тепло.
В статье, только что опубликованной в журнале передовые материалыГруппа ученых из Северо-Западного университета и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США описала ранее скрытое наноразмерное происхождение как необычного сжатия, так и исключительных термоэлектрических свойств этого материала, теллурида серебра и галлия (AgGaTe).2). Это открытие раскрывает квантово-механический поворот того, что управляет этими свойствами, и открывает совершенно новое направление в поиске новых высокоэффективных электролитов.
«Термальные материалы превратятся в экологически чистые и устойчивые энергетические технологии для сбора и охлаждения тепловой энергии, но только в том случае, если их характеристики можно будет улучшить», — сказал Хонгяо Се, исследователь с докторской степенью на Северо-Западе и первый автор статьи. «Мы хотим найти основные принципы проектирования, которые позволят нам улучшить характеристики этих материалов», — сказал Се.
Термоэлектрические устройства в настоящее время используются в ограниченных специализированных приложениях, включая марсоход НАСА, где тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде плутония, преобразуется в электричество. Будущие приложения могут включать материалы, управляемые напряжением, для достижения чрезвычайно стабильных температур, необходимых для работы высокотехнологичных фотодетекторов и лазеров.
Основным препятствием для более широкого внедрения является потребность в материалах только с правильным сочетанием свойств, включая хорошую электропроводность, но устойчивость к тепловому потоку.
«Проблема в том, что эти желаемые свойства имеют тенденцию быть конкурентоспособными», — сказал Меркьюри Канадзидис, профессор Северо-Западного университета, который начал исследование. «В большинстве материалов электронная проводимость и теплопроводность связаны друг с другом, и обе они либо высоки, либо низки. Очень немногие материалы имеют определенный состав с высоким или низким значением».
При определенных условиях теллурид серебра и галлия, по-видимому, обладает правильным составом — высокой проводимостью электронов и чрезвычайно низкой теплопроводностью. На самом деле его теплопроводность намного ниже, чем теоретические расчеты и сравнения с аналогичными материалами, такими как теллурид галлия-меди.
Северо-западные ученые обратились к коллегам и инструментам в лаборатории Брукхейвена, чтобы выяснить, почему.
«Потребовалось тщательное рентгеновское исследование в Национальном источнике синхротронного света II (NSLS-II) в Брукхейвене, чтобы обнаружить ранее скрытую деформацию в наномасштабе на участках Брукхейвенской лаборатории», — сказал физик Брукхейвенской лаборатории Эмиль Бузин, руководитель группы Брукхейвенской лаборатории. Атомы серебра в этом веществе. для структурного анализа.
Компьютерное моделирование показало, как эти искажения приводят к одноосному сжатию кристалла и как этот структурный сдвиг рассеивает колебания атомов, тем самым предотвращая диффузию тепла в материале.
Но даже при таком понимании не было четкого объяснения того, что приводило к квази-наноформным искажениям. Дополнительное компьютерное моделирование, проведенное Кристофером Вулвертоном, профессором Северо-Западного университета, указало на новый и усовершенствованный источник квантовой механики для эффекта.
В совокупности результаты предлагают новый механизм снижения теплопроводности и новый ориентир в поиске лучших термоэлектрических материалов.
Картирование атомных позиций
Команда использовала рентгеновские лучи в функции распределения каналов NSLS-II (PDF), чтобы отобразить «большое» расположение атомов как в теллуриде меди-галлия, так и в теллуриде серебра-галлия в диапазоне температур, чтобы увидеть, смогут ли они понять, почему это так. . Два вещества ведут себя по-разному.
«Поток горячего воздуха точно нагревает образец градус за градусом», — сказала Мелинда Абикон, ведущий научный сотрудник PDF Rays. «При каждой температуре, когда рентгеновские лучи отражаются от атомов, они создают узоры, которые можно преобразовать в пространственно-временные измерения с высоким разрешением расстояний между каждым атомом и его соседями (каждой парой). Затем компьютеры синтезируют измерения для вероятных трехмерное расположение атомов».
Команда также провела дополнительные измерения в более широком диапазоне температур, но с более низким разрешением, используя источник света в Немецком электронном синхротроне (DESY) в Гамбурге, Германия. Они экстраполировали свои результаты до температуры абсолютного нуля, самой низкой из возможных.
Данные показывают, что оба материала имеют алмазоподобную тетраэдрическую структуру тетраэдра, соединенного углом, один с одним атомом меди, а другой с серебром в центре тетраэдрической полости трехмерного тела. Описывая, что произошло, когда эти алмазоподобные кристаллы были нагреты, Бузин сказал: «Мы сразу же увидели огромную разницу между серебряной и медной версиями материала».
Медьсодержащий кристалл в его ядре расширялся во всех направлениях, а серебросодержащий расширялся при этом вдоль одной оси. сокращаться вдоль другого.
«Оказывается, это странное поведение связано с тем, что атомы серебра в этом материале имеют очень большие амплитуды и нерегулярные колебания внутри структурных слоев», — сказал Саймон Биллинг, профессор Колумбийского университета, работающий физиком в Брукхейвене. «Эти вибрации заставляют связанный тетраэдр вибрировать и прыгать с большой амплитудой», — сказал он.
Это свидетельствовало о том, что симметрия — правильное расположение атомов — может быть «нарушена» или нарушена в более «локальном» (меньшем) масштабе.
Команда обратилась к компьютерному моделированию, чтобы увидеть, как различные локальные искажения симметрии атомов серебра соответствуют их данным.
«Тот, который работал лучше всего, показал, что атом серебра отклоняется от центра тетраэдра в одном из четырех направлений, к краю кристалла, состоящего из двух атомов теллура», — сказал Позен. В среднем случайные смещения вне центра компенсируются, поэтому общая четырехугольная симметрия сохраняется.
«Но мы знаем, что более крупная структура также меняется за счет сжатия в одном направлении», — отметил он. «Также оказывается, что локальные искажения в более крупном масштабе связаны друг с другом».
тетраэдрическое кручение
«Локальные искажения не совсем случайны, — пояснил Бузин. «Он связан между соседними атомами серебра — теми, которые связаны с одним и тем же атомом теллура. Эти локальные искажения заставляют соседние тетраэдры вращаться относительно друг друга, и это скручивание заставляет кристаллическую решетку сжиматься в одном направлении».
Когда измененные атомы серебра вращают кристалл, они также рассеивают определенные волнообразные колебания, называемые фононами, которые позволяют теплу распространяться по решетке. рассеяние AgGaTe2Энергонесущие фононы препятствуют распространению тепла, что значительно снижает теплопроводность материала.
Но почему атомы серебра вообще изменяются?
Брукхейвенские ученые наблюдали подобное поведение десять лет назад в каменном материале, который напоминал каменную соль. В этом случае при нагреве материала образуются «неподелённые пары» электронов, в результате чего образуются небольшие области расщепленного электрического заряда, называемые диполями. Эти диполи оттягивали атомы свинца в центре от центра и рассеивали фононы.
«Но в теллуриде серебра и галлия нет одиночных пар. Значит, в этом материале должно быть что-то еще — и, возможно, другие структуры алмаза», — сказал Позен.
Поведение при склеивании при изгибе
Расчеты Кристофера Вулвертона из Northwestern показали, что «что-то еще» — это связывающие свойства электронов, вращающихся вокруг атомов серебра.
«Эти расчеты сравнивали атомы серебра и меди и обнаружили, что существует разница в расположении электронов на орбиталях, так что серебро имеет тенденцию образовывать более слабые связи, чем медь», — сказал Зех из Northwestern. «Серебро хочет связываться с меньшим количеством соседних атомов теллура; ему нужна более простая связующая среда».
Таким образом, вместо того, чтобы в равной степени связываться со всеми четырьмя окружающими атомами теллура, как это делает медь, серебро имеет тенденцию предпочтительно (но случайно) сближаться с двумя из четырех. Именно эти связывающие электроны оттягивают атом серебра от центра, вызывая кручение, сжатие и колебательные изменения, которые в конечном итоге снижают теплопроводность AgGaTe.2.
«Мы обнаружили новый механизм, с помощью которого можно уменьшить ретикулярную теплопроводность», — сказал Меркьюри Канадзидис из Northwestern. «Возможно, этот механизм можно было бы использовать для разработки или поиска других новых материалов, которые будут иметь такое же поведение для высокоэффективных термоэлектриков в будущем».
Это исследование было в первую очередь поддержано Управлением науки Министерства энергетики. NSLS-II — это средство пользователя Управления науки Министерства энергетики США.
More Stories
Ученые раскрыли секреты потери морских звезд и возобновления роста конечностей
Комплексное мероприятие сообщества людей с деменцией в Ратуте, посвященное Всемирному месяцу борьбы с болезнью Альцгеймера.
Новое исследование массивного надвига предполагает, что следующее большое землетрясение может быть неизбежным