Žingsnelis arčiau efektyvių termoelektrinių medžiagų sukūrimo

Termoelektrinę medžiagą sudaro pakaitomis išdėliotų elektroninių ir skylinių puslaidininkių sluoksniai, kurie, veikdami kartu, šilumą paverčia elektros srove. Teoriškai šilumą galima surinkti iš bet kurio šilumą išskiriančio proceso, tačiau kol kas medžiagos nėra pakankamai efektyvios, kad jas būtų galima komerciškai panaudoti elektros energiją gaminant iš perteklinės šilumos, kurią išskiria, pavyzdžiui, automobiliai.

Populiariausia termoelektrinė skylinė medžiaga yra švino telūridas (PbTe), o šios medžiagos pagrindu sukurti prietaisai yra naudojamai palydovuose, kur šiluma yra surenkama iš radioizotopų, bei nišinėse rinkose Žemėje, kur šiluma išskiriama deginant kurą, pavyzdžiui, dujas.

Termoelektrinės medžiagos efektyvumas yra nusakomas tam tikru bedimensiu parametru, žymimu ZT, kuris apskaičiuojamas, įvertinant kelis rodiklius, tarp jų ir elektrinį bei šiluminį laidumus. Tam, kad medžiaga gebėtų generuoti pakankamus elektros energijos kiekius ir ją būtų galima naudoti komerciškai, efektyvumo parametras turi viršyti 1,5. Nors švino telūrido termoelektrinės medžiagos sugeba atsilaikyti prieš itin aukštas temperatūras, jų efektyvumas siekia vos 0.8, todėl jas galima pritaikyti tik specifiniuose įtaisuose, pavyzdžiui, palydovuose.

Visai neseniai Kalifornijos technologijos instituto (JAV) bei Kinijos mokslų akademijos tyrėjams pavyko pakeisti telūro kiekį PbTe junginyje ir įmaišyti seleno bei natrio, tad naujoji medžiaga esant 570^oC temperatūrai pasižymi net 1,8 efektyvumo parametru, kurį pagrindinis straipsnio autorius Džefris Snaideris (Jeffrey Snyder) apibūdino kaip „neįtikėtinu“.

Ankstesnių tyrimų metu Dž. Snaideriui ir jo kolegoms pavyko pasiekti 1,5 efektyvumą PbTe junginį legiravus taliu ir 1,4 efektyvumą tam pačiam tikslui panaudojus natrį. Įmaišę seleno mokslininkai padidino junginio elektrinį laidumą tuo pačiu metu sumažindami šiluminį laidumą. Selenas medžiagos elektroninėje juostinėje struktūroje padidina „išsigimusių slėnių“ skaičių, o tai iš karto pagerina elektrinį laidumą bei ZT parametrą. Paprastai žinomų termoelektrinių medžiagų slėnių išsigimimas siekia apie 6, tuo tarpu naujojo junginio siekia apie 12 ir daugiau.

Pasak Dž. Snaiderio, efektyvumo parametras, siekiantis 1,8 kol kas yra didžiausias, gautas nepriklausomose laboratorijose. Jis taip pat įsitikinęs, kad panašiai legiruodami kitas termoelektrines medžiagas tyrėjai gali pagerinti šį rezultatą. Mokslininkas teigia, jog dabar jo komanda bando sukurti perspektyvią elektroninio laidumo medžiagą bei tobulina skylinės medžiagos efektyvumą esant aukštesnėms temperatūroms. Dž. Snaiderio komandos darbas išspausdintas prestižiniame „Nature“ žurnale.