Новый материал устанавливает рекорд по превращению тепла в электричество

Термоэлектрические материалы способны преобразовывать тепло в электрическую энергию . Это связано с так называемым эффектом Зеебека: если существует разница температур между двумя концами такого материала, может быть создано электрическое напряжение (ЭДС) и может начать течь ток. Количество электрической энергии, которое может быть произведено при заданной разности температур, измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ZT материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие термоэлектрики на сегодняшний день были измерены при значениях ZT от 2,5 до 2,8. Ученые из TU Wien (Венский Технический Университет) в настоящее время преуспели в разработке совершенно нового материала со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно было бы использовать для обеспечения энергией датчиков или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могли бы генерировать свое собственное электричество из перепадов температур. Новый материал уже был представлен в журнале "Nature".

Электричество и температура

"Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека, и он должен отвечать двум важным требованиям, которые трудно согласовать", - говорит профессор Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела в ту-вин. "С одной стороны, он должен как можно лучше проводить электричество, а с другой-как можно хуже переносить тепло. Это сложная задача, поскольку электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны."

В Лаборатории Термоэлектричества Кристиана Допплера, которую Эрнст Бауэр основал в TU Wien в 2013 году, за последние несколько лет были изучены различные термоэлектрические материалы для различных применений. Это исследование привело теперь к открытию особенно замечательного материала - комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

"Атомы в этом материале обычно расположены в строго регулярном порядке в так называемой гранецентрированной кубической решетке",-говорит Эрнст Бауэр. - Расстояние между двумя атомами железа всегда одно и то же, и то же самое верно для других типов атомов. Таким образом, весь кристалл является полностью регулярным."

Однако, когда тонкий слой материала наносится на кремний, происходит нечто удивительное: структура меняется радикально. Хотя атомы всё еще образуют кубическую структуру, теперь они расположены в пространственно-центрированной структуре, и распределение различных типов атомов становится совершенно случайным. 

"Два атома железа могут сидеть рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше нет никакого правила, которое диктует, где следующий атом железа должен быть найден в кристалле", - объясняет Бауэр.

Эта смесь регулярности и нерегулярности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет, как электроны движутся в твердом теле. 

"Электрический заряд движется через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеяния. Порции заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля", - говорит Эрнст Бауэр. 

Таким образом, достигается очень низкое электрическое сопротивление.

С другой стороны, колебания решетки, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, тормозятся неравномерностями в кристаллической структуре. Поэтому теплопроводность уменьшается. Это важно, если электрическая энергия должна постоянно генерироваться из разности температур - потому что, если бы разность температур могла уравновеситься очень быстро и весь материал вскоре имел бы везде одинаковую температуру, термоэлектрический эффект остановился бы.

Электричество для Интернета вещей

"Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но у него есть преимущество быть чрезвычайно компактным и адаптируемым", - говорит Эрнст Бауэр. "Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных приложений."

Спрос на такие маломасштабные генераторы быстро растет: в "Интернете вещей" все больше и больше устройств подключаются друг к другу в режиме онлайн, чтобы они автоматически координировали свое поведение друг с другом. Это особенно перспективно для будущих производственных установок, где одна машина должна динамично реагировать на другую.

"Если вам нужно большое количество датчиков на заводе, вы не сможете подключить их все вместе. Намного разумнее для датчиков, чтобы они имели возможность генерировать свою собственную энергию с помощью небольшого термоэлектрического устройства", - говорит Бауэр.