Μια διεθνής ερευνητική ομάδα ανακάλυψε πώς να ενισχύσει σημαντικά την απόδοση ενός υποσχόμενου υλικού συγκομιδής ενέργειας χωρίς τη χρήση σπάνιων ή ακριβών στοιχείων. Το υλικό, γνωστό ως β-Zn₄Sb₃, είναι μια θερμοηλεκτρική ένωση χωρίς τελλούριο που μετατρέπει τη θερμότητα σε ηλεκτρισμό, προσφέροντας μια οικολογική λύση ενεργειακής αξιοποίησης.
Φωνόνια, ταλαντώσεις και θερμική αγωγιμότητα
Το φωνόνιο (phonon) στη Φυσική (και ιδιαίτερα στην Φυσική Στερεάς Κατάστασης), είναι το κβάντο (ελάχιστο διακριτό πακέτο) ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί σε ένα στερεό κρύσταλλο, με μηχανικές ταλαντώσεις των ατόμων του και αντιστοιχεί στη μηχανική ταλάντωση του ελάχιστου ταλαντωτή του κρυσταλλικού πλέγματος. Για μονοατομικό κρύσταλλο ο ελάχιστος ταλαντωτής είναι το ένα άτομο.
Το φωνόνιο είναι το αποτέλεσμα της μικρότερης δυνατής ταλάντωσης του κρυσταλλικού πλέγματος που μεταφέρει ενέργεια από άτομο σε άτομο. Ανάλογα με τον τρόπο που μελετάμε τα αποτελέσματα της συμπεριφοράς του κρυστάλλου, το φωνόνιο εμφανίζεται είτε σαν σωματίδιο με ορμή (μάζα και ταχύτητα) είτε σαν κύμα.
Στη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Advanced Science, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τεχνικές σκέδασης νετρονίων για να εξετάσουν το εσωτερικό του κρυστάλλου και ανακάλυψαν κάτι αναπάντεχο: μικροσκοπικές θερμικές ταλαντώσεις (φωνόνια) διαταράσσονταν από «θορυβώδη» άτομα στο εσωτερικό της δομής. Το φαινόμενο αυτό, γνωστό ως phonon avoided crossing, επιβράδυνε δραματικά τη μεταφορά θερμότητας στο υλικό.
Χάρη σε αυτό το φαινόμενο, η θερμική αγωγιμότητα του υλικού μειώθηκε σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα, κάτι που βελτιώνει σημαντικά την απόδοση θερμοηλεκτρικής μετατροπής. Επιπλέον, διαπιστώθηκε πως η μονοκρυσταλλική εκδοχή του υλικού παρουσιάζει και καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα σε σχέση με την πολυκρυσταλλική, επιτυγχάνοντας απόδοση μετατροπής ισχύος 1,4%.
Τι είναι το avoided crossing
Στα θερμοηλεκτρικά υλικά, το «avoided crossing» περιγράφει την αλληλεπίδραση ανάμεσα σε διαδιδόμενα φωνόνια και τοπικές δονήσεις, όπου οι ενεργειακές διασπορές τους δεν τέμνονται αλλά αλληλοαπωθούνται. Αυτό συμβαίνει υπό συγκεκριμένες συνθήκες, όπως η συμμετρία του κρυστάλλου ή οι συζεύξεις δονητικών τρόπων.
Ωστόσο, όταν οι ερευνητές ανέπτυξαν τον μονοκρύσταλλο β-Zn₄Sb₃, παρατήρησαν ένα μη αναμενόμενο avoided crossing, αποκαλύπτοντας μοναδική συμπεριφορά φωνονίων που αποκλίνει από τα συμβατικά θερμοηλεκτρικά υλικά.
Μοριακοί μηχανισμοί υψηλής απόδοσης
Η εργασία εστιάζει στη θερμοηλεκτρική απόδοση του μονοκρυσταλλικού β-Zn₄Sb₃, αναδεικνύοντας τους μικροσκοπικούς μηχανισμούς που οδηγούν στη χαμηλή πλέγματική θερμική αγωγιμότητα (κL).
Με τη βοήθεια ασυνεχούς σκέδασης νετρονίων (INS), οι ερευνητές κατέγραψαν για πρώτη φορά την πειραματική παρατήρηση «avoided crossing»μεταξύ επιμήκων ακουστικών φωνονίων και χαμηλής ενέργειας ταλαντώσεων. Αυτή η αλληλεπίδραση μειώνει δραστικά την ταχύτητα ομάδας των φωνονίων, από πάνω από 4000 m/s σε μόλις 591 m/s, ενώ οι χρόνοι ζωής των φωνονίων περιορίζονται κάτω από το 1 picosecond, οδηγώντας σε έντονη καταστολή της θερμικής μεταφοράς.
Υψηλή απόδοση χωρίς προσμίξεις
Ο μονοκρύσταλλος β-Zn₄Sb₃ φτάνει σε κL περίπου 0,36 W/m·K στην περιοχή θερμοκρασιών 300–600 K και συντελεστή θερμοηλεκτρικής απόδοσης zT = 1,0 στους 623 K. Οι δοκιμές σε επίπεδο συσκευής δείχνουν απόδοση μετατροπής (η) 1,4% σε θερμοηλεκτρικό στοιχείο ενός σκέλους – μία από τις υψηλότερες τιμές που έχουν αναφερθεί για μη προσμειγμένο Zn₄Sb₃.
Δομή χωρίς κόκκους και ομοιογένεια
Μέσω μικροσκοπικής ανάλυσης (TEM), διαπιστώθηκε ότι το υλικό έχει μονολιθική κρυσταλλική δομή χωρίς ορατά όρια κόκκων και ομοιόμορφες «moiré» γραμμώσεις, οι οποίες αποδίδονται σε τοπικές διακυμάνσεις συγκέντρωσης ψευδαργύρου.
Αυτά τα νανομετρικά χαρακτηριστικά ενισχύουν περαιτέρω τη σκέδαση φωνονίων χωρίς να επηρεάζουν αρνητικά τις ηλεκτρονικές ιδιότητες. Σε σύγκριση με τα πολυκρυσταλλικά δείγματα, ο μονοκρύσταλλος παρουσιάζει σημαντικά καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα, χάρη στη μειωμένη παρουσία ατελειών και τη βελτιστοποιημένη κινητικότητα φορέων.
Προοπτική για βιώσιμη τεχνολογία
«Η ανακάλυψη αυτή δείχνει πώς μπορεί να ελεγχθεί η ροή θερμότητας για τη σχεδίαση πιο αποδοτικών και βιώσιμων ενεργειακών τεχνολογιών – χωρίς εξάρτηση από σπάνιους πόρους», αναφέρει ο καθηγητής Hsin-Jay Wu.
Πηγή: I‐Lun Jen et al, Avoided Crossing Phonons Realizes High‐Performance Single‐Crystalline β‐Zn₄Sb₃ Thermoelectrics, Advanced Science (2024). DOI: 10.1002/advs.202411498
Παρέχεται από: National Taiwan University
