暖かい夏の日の間に、従来の電気ではなく、太陽の熱でエアコンを走らせることができたらどうなりますか？ 熱電技術の進歩により、この持続可能な解決策はいつか現実になるかもしれません。
熱電デバイスは、可動部品を必要とせずに温度差を電気に変換できる材料から作られています。 この現象は可逆的であり、電気が熱電デバイスに印加されると、温度差が生じる可能性があります。 今日、熱電デバイスは、石油パイプラインに沿った小型センサーへの電力供給、宇宙探査機へのバッテリーのバックアップ、ミニブリッジの冷却など、比較的低電力のアプリケーションに使用されています。
しかし、科学者たちは、工業プロセスや燃焼エンジンの副産物として生成される熱を収穫し、それ以外の場合は無駄な熱を電気に変える、より強力な熱電装置を設計することを望んでいます。 しかし、熱電デバイスの効率、またはそれらが生成することができるエネルギーの量は、現在制限されている。今、MITの研究者は、ユニークな電子特性を有する”トポロジカル”材料を使用して、その効率を三倍に高める方法を発見しました。 これまでの研究では、トポロジカル材料が効率的な熱電システムとして役立つことが示唆されていましたが、このようなトポロジカル材料中の電子が熱電効果を生成するために温度差に応答してどのように移動するかについてはほとんど理解されていませんでした。
今週発表された論文では、MITの研究者は、特定のトポロジカル材料を既存のデバイスと比較して、潜在的により効率的な熱電材料にする基礎とな
“シリコンのような従来の半導体よりも、トポロジカル材料を良好な熱電材料にする方法で、このナノ構造材料の境界を押し進めることができ 「最終的には、これは熱源を使用して電気を生成するのに役立つクリーンエネルギーの方法であり、二酸化炭素の放出を減らすことができます。”
劉は、大学院生Jiawei周、Zhiwei丁、およびQichenソングを含むPNAS論文の最初の著者であり、Mingda Li、核理工学科の助教授、元大学院生ボーリン遼、サンタバーバラのカリフォルニ; そしてギャング-チェン、Soderberg教授と機械工学の部門の頭。
自由に移動する経路
熱電材料が温度勾配にさらされると、一方の端が加熱され、他方の端が冷却されるなど、その材料中の電子が熱い端から冷 温度差が大きいほど、より多くの電流が生成され、より多くの電力が生成される。 生成することができるエネルギーの量は、与えられた材料中の電子の特定の輸送特性に依存する。
科学者たちは、いくつかのトポロジカル材料は、ナノ構造、科学者がナノメートルのスケールでその機能をパターニングすることにより、材料を合成するために使用する技術を介して効率的な熱電デバイスにすることができることを観察しています。 科学者たちは、トポロジカル材料の熱電利点は、そのナノ構造における熱伝導率の低下から来ると考えてきました。 しかし、この効率の向上が材料の固有のトポロジカル特性とどのように関連しているかは不明である。
この質問に答えようとするために、Liuと彼の同僚は、良好な熱電材料であることが知られているトポロジカル材料であるテルル化スズの熱電 テルル化スズ中の電子はまた、ディラック材料として知られているトポロジカル材料のクラスを模倣する独特の特性を示す。
チームは、電子が材料を通過する方法をシミュレートすることにより、テルル化スズの熱電性能に及ぼすナノ構造の影響を理解することを目的とし 電子輸送を特徴付けるために、科学者はしばしば”平均自由経路”と呼ばれる測定値を使用するか、与えられたエネルギーを持つ電子がその材料の様々な物や欠陥によって散乱される前に材料内を自由に移動する平均距離を使用する。
ナノ構造材料は、小さな結晶のパッチワークに似ており、それぞれが粒界として知られている境界線を持ち、ある結晶を別の結晶から分離します。 電子がこれらの境界に遭遇すると、それらは様々な方法で散乱する傾向がある。 長い平均自由経路を持つ電子は、壁から跳ね返る弾丸のように強く散乱しますが、短い平均自由経路を持つ電子ははるかに影響を受けません。
彼らのシミュレーションでは、研究者らは、テルル化スズの電子特性がそれらの平均自由経路に大きな影響を与えることを見出した。 彼らは、テルル化スズの電子エネルギーの範囲を関連する平均自由経路に対してプロットし、得られたグラフは、ほとんどの従来の半導体のものとは非常に異なって見えることを発見した。 具体的には、テルル化スズやおそらく他のトポロジカル材料については、より高いエネルギーの電子はより短い平均自由経路を有するが、より低いエネル
その後、チームは、これらの電子特性がテルル化スズの熱電性能にどのように影響するかを調べ、異なるエネルギーと平均自由経路を持つ電子からの熱電寄与を本質的に合計することによって調べた。 温度勾配の下で電気を伝導する、または電子の流れを生成する材料の能力は、電子エネルギーに大きく依存することが判明した。
具体的には、低エネルギーの電子は電圧差の発生、したがって電流に悪影響を与える傾向があることを発見しました。 これらの低エネルギー電子はまた、より長い平均自由経路を有し、高エネルギー電子よりも粒界によってより集中的に散乱され得ることを意味する。
サイジングダウン
彼らのシミュレーションでさらに一歩進んで、チームは、これが温度勾配下での電子の流れに影響を与えたかどうかを確認するために、テルル化スズの個々の粒子のサイズで遊んだ。 彼らは、平均粒子の直径を約10ナノメートルに減少させ、その境界を近づけると、より高エネルギーの電子からの寄与が増加することを観察した。
すなわち、粒径が小さいほど、高エネルギー電子は低エネルギー電子よりも材料の電気伝導にはるかに寄与し、平均自由経路が短く、粒界に対して散乱 これは発生させることができるより大きい電圧相違で起因する。さらに、研究者らは、テルル化スズの平均粒径を約10ナノメートルに減少させると、材料がより大きな粒で生産したであろう電気の3倍の量が生成され
劉氏は、結果はシミュレーションに基づいていますが、研究者はテルル化スズや他のトポロジカル材料を合成し、ナノ構造技術を使用して粒径を調 他の研究者は、材料の結晶粒径を縮小すると熱電性能が向上する可能性があると示唆していますが、Liu氏は、理想的なサイズは10ナノメートルよりもはるかに大きいと主に想定していると述べています。
“我々のシミュレーションでは、我々は以前に考えられていたよりもはるかに多くのトポロジカル材料の結晶粒径を縮小することができ、この概念に基づテルル化スズは、まだ検討されていない多くのトポロジカル材料の一例にすぎません。
テルル化スズは、まだ検討されていない多くのトポロジカル 研究者は、これらの材料のそれぞれのための理想的な結晶粒径を決定することができれば、劉氏は、トポロジカル材料はすぐにクリーンエネルギーを生
“トポロジカル材料は熱電材料に非常に優れていると思いますが、私たちの結果は、これが将来のアプリケーションのための非常に有望な材料であることを示しています”とLiu氏は言います。
この研究は、米国エネルギー省のエネルギーフロンティア研究センターである固体太陽熱エネルギー変換センターと国防高等研究計画局（DARPA）によって部分的に支援された。