무엇이 당신을 실행할 수 있습 에어 컨디셔너지에서 기존의 전기이지만,태양의 열 동안 따뜻한 여름 날? 열전 기술의 발전으로이 지속 가능한 솔루션이 언젠가는 현실이 될 수 있습니다.
열전 장치에서 만들어진 자료를 변환할 수 있는 온도 차이로 전기를 필요로하지 않고,모든 움직이는 부품—품질 thermoelectrics 잠재적으로 매력의 원천이다. 이 현상은 가역적입니다:전기가 열전 소자에 가해지면 온도차를 생성 할 수 있습니다. 오늘,열전 장치에 사용되는 상대적으로 낮은 전력 애플리케이션과 같은 전원 소 센서와 함께 석유 파이프 라인,배터리 백업 공간에 프로브,및 냉각 minifridges.
하지만 과학자들은 기대하고 디자인이 더 강력한 열전 장치는 것입니다 수확이 열 생산의 부산물로 만들어 산업 프로세스 및 엔진 연소 및 차례로는 그렇지 않으면 낭비되는 열기도 합니다. 그러나 열전 소자의 효율 또는 생산할 수있는 에너지의 양은 현재 제한적입니다.
이제 연구원 MIT 에서 발견하는 방법이 증가효율 배,”를 사용하여 토폴로지”재료는 고유한 전자의 속성. 면서 과거로 작업 제안 위상을 재료로 제공할 수 있는 효율적인 열전 시스템는 거의 이루어지지 않았습 이해하는 방법으로 전자에서 같은 위상 자료에 대응하여 여행 온도에 차이가를 생산하기 위해 열전 효과가 있다.
종이에 출판된 이번 주에는 미국 국립 과학원,MIT 연구를 식별하는 기본 시설은 특정 위상 물질 잠재적으로 더 효율적으로 열전 소재에 비해 기존 장치입니다.
“우리는 우리가 발견할 수 있는 경계를 밀어의 이 nanostructured 방법으로 자료를 만드는 위상 물질 좋은 열전 소재보다 더 많은,그래서 기존의 반도체처럼 실리콘,”says Te-Huan 리우,박사후에 MIT’s Department of Mechanical Engineering. 결국”이 될 수 있다는 깨끗한 에너지를 사용하여 열원 전기를 생성하는 것입니다 줄이기 위해 우리의 릴리스의 이산화탄소로 이루어져 있습니다.”
리우 첫 번째 저자의 PNAS 종이를 포함하는 대학원생 Jiawei Zhou,zhiwei 씨 Ding,그리고 해결책 노래 개 Li,조교수 부서의 과학 및 엔지니어링 전 대학원생 Bolin 리아는 지금,조교수의 대학에서 캘리포니아 산타바바라;앙 푸,비덴한의 부교수 물리학; 그리고 갱 첸,소더 버그 교수 및 기계 공학과의 머리.
경로를 자유롭게 여행
경우 열전 물질에 노출되는 온도 변화—예를 들어,하나의 끝에 가열하면,다른 냉각—전자에서는 재료 흐름이 시작에서 뜨거운 차가운 곳,생성 전류입니다. 온도차가 클수록 더 많은 전류가 생성되고 더 많은 전력이 생성됩니다. 생성 될 수있는 에너지의 양은 주어진 물질에서 전자의 특정 수송 특성에 의존한다.
과학자들이 관찰되는 몇 가지 위상을 재료로 만들 수 있습 효율적인 열전 장치를 통해 nanostructuring,기술이 과학자들이 사용하는 합성에 의한 재료의 패터닝 기능에서의 규모를 나노미터 정도의 크기입니다. 과학자들은 토폴로지 재료의 열전 장점은 나노 구조에서 감소 된 열전도율에서 비롯된 것이라고 생각했습니다. 그러나 효율성에있어이 향상이 재료의 고유 한 토폴로지 특성과 어떻게 연결되는지는 분명하지 않습니다.
이 질문에 답하기 위해 Liu 와 그의 동료들은 좋은 열전 재료로 알려진 토폴로지 재료 인 tin telluride 의 열전 성능을 연구했습니다. 주석 텔루 라이드의 전자는 또한 디락 물질로 알려진 토폴로지 물질의 부류를 모방하는 독특한 특성을 나타낸다.
팀은 목적을 이해하는 효과의 nanostructuring 에 주석 telluride 의 열전의 성능,시뮬레이션하는 방법이 전자 여행을 통해 물자입니다. 특성화 전자 수송,과학자들은 자주 사용하여 측정이라고”의 의미는 무료 경로는,”평균 거리는 전자는 주어진 에너지가 자유롭게 여행에서는 재료되기 전에 흩어져에 의해 다양한 개체 또는 결함이 있는 물질이다.
나노 구조 물질은 하나의 결정을 다른 결정과 분리하는 곡물 경계로 알려진 테두리가있는 작은 결정의 패치 워크와 유사합니다. 전자가 이러한 경계를 만났을 때 다양한 방식으로 흩어지는 경향이 있습니다. 전자 긴 의미는 무료로 분산됩니다 강하고,다음과 같 총알이 떨어져 스쳐 벽,하는 동안 전자들과의 짧은 말은 무료로 훨씬 적은 영향을 받습니다.
에서 자신의 시뮬레이션 연구팀은 주석 telluride 의 전자적 특성에 상당한 영향을 미칠 그들의 의미는 무료로. 그들은 플롯한 주석 telluride 의 범위의 전자 에너지에 대한 관련을 의미는 무료로,그리고 결과로 만들어지는 그래프는 매우 다른 사람들보다는 대부분의 기존의 반도체. 특히,대한 주석 telluride 및 기타 위상 자료,결과는 전자는 더 높은 에너지가 짧은 것을 의미 자유로운 경로 동안 낮은 에너지를 전자는 일반적으로 소유하는 더 이상 의미는 무료 경로에 있습니다.
팀은 다음을 보면서 어떻게 이러한 전자의 속성에 영향을 주석 telluride 의 열전 성과에 의하여,기본적으로 요약하면 열전에 공헌에서의 전자와 다른 에너지 및 의료 경로입니다. 그것은 물자의 능력을 전기를 수행을 생성하거나,전자의 흐름에 따라,온도,그에 크게 의존한 전자의 에너지입니다.
특별히,그들은 낮은 에너지를 전자하는 경향이 있는 부정적인 영향을 미치에서 차세대의 전압 차이며,따라서 전류입니다. 이러한 낮은 에너지를 전자는 또한 이 의미는 무료로,그들은 의미할 수 있습에 흩어져 곡물의 경계를 더 집중적으로 보다 높은 에너지를 전자.
정립을 아래로
한 단계 더 그들의 시뮬레이션,팀으로 주석의 크기 telluride 의 개별 곡물지 여부를 확인이 이에 어떤 영향을 미치의 흐름을 아래 온도 구배. 그들이 발견되면 그들이 감소합경에 평균 입자를 약 10 나노미터를 가져,그 경계가 더 가까이 함께 관찰,증가한 기여도에서 높은 에너지를 전자.
는 더 작은 입자 크기,높은 에너지를 전자는 더 많이 기여하는 소재의 전기전도보다 낮은 에너지를 전자가가 있기 때문에,짧은 것을 의미는 무료로 가능성이 적은 분산에 곡물니다. 이로 인해 생성 될 수있는 더 큰 전압 차이가 발생합니다.
What’s more,연구자는 감소하는 주석 telluride 의 평균 입자 크기는 약 10 나노미터 생산된 세 번 금액의 전기 재료는 생산과 함께 큰 곡물이다.
리우하는 결과에 기반한 시뮬레이션,연구진은 달성할 수 있는 비슷한 성능을 합성하여 주석 telluride 및 기타 위상 재료 조정하고 그들의 입자 크기를 사용하여 nanostructuring 기술입니다. 다른 연구자가 제안하는 축소재의 곡물 크기가 증가할 수 있습의 열전 성능을,그러나 리우들이 대부분을 가정하는 이상적인 크기는 것보다 훨씬 더 큰 10 나노미터 정도의 크기입니다.
“에서 우리의 시뮬레이션,우리는 축소 할 수 있습니다 위상 물질의 곡물이 훨씬 더 크기 이전에 생각했던 것보다,그리고 이 개념을 기반으로,우리는 그것의 효율성을 높이”리우를 말한다.
주석 텔루 라이드는 아직 탐구되지 않은 많은 토폴로지 물질의 한 예일뿐입니다. 는 경우에 연구자를 결정할 수 있는 이상적인 입자 크기에 대한 각각의 이러한 자료,리 말 위상자재로 할 수 있는 실행 가능한 효율적인 대안을 생산하는 청정 에너지입니다.
“나는 생각한 위상적 자재에 대한 아주 좋은 열전 물질,그리고 우리의 결과 이것은 매우 유망한 물질에 대한 미래의 응용 프로그램,”리우를 말한다.
이 연구에서 지원되는 부분에 의해 고체 상태의 태양 열 에너지 변환 센터,에너지 프론티어 연구 센터의 미학과 에너지;그리고 방위 알파 통신망(DARPA).