Международная команда, возглавляемая Фабианом Гармруди, теперь преуспела в использовании нового метода для разработки гибридных материалов, которые достигают обеих целей - снижения когерентности колебаний решетки и увеличения подвижности носителей заряда. Ключ: смесь двух материалов с принципиально разными механическими, но схожими электронными свойствами. Работа была недавно опубликована в журнале Nature Communications.

Новые свойства благодаря новому сочетанию материалов

Хорошие термоэлектрические материалы - это те, которые, с одной стороны, хорошо проводят электричество, но, с другой стороны, как можно хуже переносят тепло - очевидное противоречие, поскольку хорошие электрические проводники, как правило, также являются хорошими проводниками тепла.

"В твердом веществе тепло передается как подвижными носителями заряда, так и колебаниями атомов в кристаллической решетке. В термоэлектрических материалах мы в основном пытаемся подавить перенос тепла через колебания решетки, поскольку они не способствуют преобразованию энергии", - объясняет первый автор Фабиан Гармруди, который получил докторскую степень в Венском университете и в настоящее время работает постдокторантом директора в Лос-Аламосской национальной лаборатории (США). В последние десятилетия в области материаловедения были разработаны сложные методы проектирования термоэлектрических материалов с чрезвычайно низкой теплопроводностью.

"При поддержке премии Lions Award я смог разработать новые гибридные материалы в Национальном институте материаловедения в Японии, которые обладают исключительными термоэлектрическими свойствами", - вспоминает Гармруди о своем исследовательском пребывании в Цукубе (Япония), которое он завершил в рамках своей работы в TU Wien. В частности, порошок сплава железа, ванадия, тантала и алюминия (Fe 2v 0,95 Ta _0,1 Al _0,95) смешивали с порошком висмута и сурьмы (Bi _0,9 Sb _0,1) и прессовали в компактный материал под высоким давлением и температурой. Однако из-за их различных химических и механических свойств эти два компонента не смешиваются на атомарном уровне. Вместо этого материал BiSb предпочтительно осаждается на границах раздела микрометрового размера между кристаллами сплава FeVTaAl.

Разделение транспортировки тепла и заряда

Структуры решеток этих двух материалов, а следовательно, и их разрешенные квантово-механически колебания решетки настолько различны, что тепловые колебания не могут просто передаваться от одного кристалла к другому. Таким образом, теплопередача на границах раздела сильно замедляется. В то же время движение носителей заряда остается беспрепятственным благодаря схожей электронной структуре и даже значительно ускоряется вдоль границ раздела. Причина: материал BiSb образует так называемую фазу топологического изолятора - особый класс квантовых материалов, которые изолируют изнутри, но обеспечивают перенос заряда на поверхности практически без потерь.

Такое целенаправленное разделение процессов переноса тепла и заряда позволило команде повысить эффективность материала более чем на 100%. "Это приближает нас на большой шаг к нашей цели - разработке термоэлектрического материала, который может конкурировать с коммерчески доступными соединениями на основе теллурида висмута", - говорит Гармруди. Последний был разработан еще в 1950-х годах и до сих пор считается золотым стандартом термоэлектрики. Большим преимуществом новых гибридных материалов является то, что они значительно более стабильны, а также дешевле.