Новый термоэлектрик оказался в два раза эффективнее предшественников

Ученые нашли семейство веществ с необычайно высокой термоэлектрической эффективностью, то есть способностью превращать тепловую энергию напрямую в электричество. Самое высокое значение оказалось у соединения Fe₂V_0.8W_0.2Al: оно более чем в два раза превышало предыдущие рекорды. Однако оценка параметра проводилась косвенным методом, а само изученное вещество метастабильно, что делает маловероятным широкомасштабные применения конкретно этого материала, пишут авторы в журнале Nature.

Термоэлектрики — это вещества, в которых возникает электрический ток при создании разностей температуры на противоположных сторонах тела. Ненулевой термоэлектрический эффект характерен практически для любых материалов, но в абсолютном большинстве случаев он слишком мал для практического применения. Однако характеристики даже самых лучших современных термоэлектриков, таких как теллурид висмута(III), позволили им стать востребованными лишь в некоторых областях. Вместе с тем потенциал у таких соединений огромен, так как функционирование многих устройств приводит к выделению тепловой энергии, которая обычно рассеивается, а не используется.

Создаваемый термоэлектриками ток зависит от разности температур и коэффициента термоэлектрической эффективности ZT, который зависит от других параметров вещества: ZT = (S²/ρλ) × T, где S, ρ и λ — это коэффициент Зеебека, электрическое сопротивление и коэффициент теплопроводности, соответственно, а T — это температура, при которой соответствующие свойства измеряются. До недавнего времени рекордные значения ZT находились в диапазоне 2,5–2,8.

Входящие в выражение для термоэлектрической эффективности величины не являются независимыми, поэтому их невозможно оптимизировать по отдельности: при улучшении одного показателя скорее всего ухудшится другой. Единственная характеристика, которую можно менять относительно свободно, — это фононная составляющая теплопроводности, которая вместе с электронной определят всю величину. Известно, что уменьшение размеров и размерностей систем уменьшает подвижность фононов и, следовательно, улучшает термоэлектрическую эффективность, поэтому многие исследования направлены на поиск новых материалов среди тонких пленок.

В работе физиков из Австрии, Китая и Японии под руководством Эрнста Байера (Ernst Bauer) из Венского технического университета описано изучение термоэлектрических свойств тонких пленок из веществ с составом Fe₂V_1−xW_xAl. Наилучшие показатели оказались у Fe₂V_0.8W_0.2Al. Для него в экспериментах были измерены входящие в формулу для ZT величины, из которых была вычислена сама эффективность. Она оказалась на уровне 5–6 в зависимости от условий проведения опытов и с учетом ошибок измерений.

Одной из ключевых особенностей оказалось строение вещества. Трехмерные кристаллы Fe₂V_0.8W_0.2Al обладают кубической гранецентрированной решеткой с одинаковым расстоянием между любыми атомами одного типа. Однако при выращивании пленки на подложке из кремния получалась метастабильная фаза с объемно-центрированной решеткой, в которой никакой регулярности в расстоянии между атомами нет. Такая структура, с одной стороны, хорошо проводит ток, а с другой, ее нерегулярность стала причиной подавленной теплопроводности, то есть сочетала как раз необходимые для хорошего термоэлектрика характеристики.

Авторы отмечают, что данная разработка вряд ли перевернет область термоэлектриков, так как нужная структура стабильна только в виде пленки на субстрате, что не позволяет ей преобразовывать большие количества энергии. Однако такой элемент можно встраивать в электронику для питания сенсоров и других устройств. Также исследование показывает потенциал термоэлектриков и возможный путь для открытия новых веществ с рекордными свойствами.

Ранее ученые показали краску-электрогенератор, увеличили эффективность превращения тепла в электричество при помощи фракталов, а также нашли нетоксичный термоэлектрик для комнатной температуры.

Тимур Кешелава