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MagLab科学家在有前景的材料中发现了热电性质

佛罗里达州立大学总部设在国家高磁场实验室的物理学家探索了其他科学家所忽视的一个地区,发现一类名为“1-2-20s”的材料具有非常有前景的热电特性,为进一步研究这些材料打开了闸门。迷人的材料。

如果两端之间存在温差,则热电装置可以发电。他们也可以做相反的事情:用电来吸收或释放热量。该属性具有许多潜在的应用,从无压缩机制冷到空间发电,再到通过热量逃逸的汽车发动机(约40%)所浪费的所有能量。

“这不是自由能,”MagLab物理学家Ryan Baumbach说,“但它是下一个最好的东西。”

大多数材料的热电效应很小。那是因为材料的电力传递和热量传递通常是相辅相成的。一般而言,自然界希望保持热量和导电性,但要具有良好的热电性能,这两种性质需要解耦。

大约两年前,Baumbach建议MagLab的Jack Crow博士后研究员和Baumbach研究小组的成员Kaya Wei研究一种“1-2-20”材料,这种材料似乎是热电的良好候选者。

Baumbach提出的具体材料是“1-2-20”比例的三种基本成分:元素镱; 过渡金属(钴,铑或铱); 和元素锌。Baumbach有一种预感,如果在他的实验室中进行适当的操作,这种化合物具有所需的功能,可以在大自然中咀嚼鼻子,并将导热性与导热性无关。

使用Baumbach实验室的高温炉,Wei合成了晶体形式的化合物,并对样品进行了测量。结果证实,在低温下,该材料实际上是一种很有前景的热电材料。

然后是时候开始玩变量,看看他们还能发现什么。

“不同的成分促进了完全不同的物理特性,”该论文的主要作者魏说。

建立更好的热电

研究人员希望尽可能地对材料进行热电极优化,这种属性由称为热电品质因数(或ZT)的参数表示 。为此,他们需要将晶体调整为:1。最大化其导电性; 2.尽量减少其导热系数; 3.当施加小的温度梯度时(即,当一端稍微比另一端温暖时)产生大电压,通过称为塞贝克系数的值测量的性质。

第一个目标是最简单的:由于锌和过渡金属,材料在很大程度上已经是一个良好的导体。

其他目标更复杂。为了实现第二个目标,科学家需要破坏主要负责携带热量的声子。声子是通过材料的三维原子晶格传播的振动:通过这种方式,原子吸收的能量可以在整个材料中波动,原子到原子。

幸运的是,1-2-20材料的结构固有的是一种抛出大量声子障碍的方法。

Wei制造的晶体具有笼状结构,包含20个锌原子,其中包含一个镱原子。镱原子在笼子里晃动,干扰了声子通过材料散热的能力。

晶体的大单元电池支持这种效果。声子分散在每个方向。

镱为化合物的热电成功提供了另一个重要因素。它包含一种称为“ f 电子”的电子。没有过多的量子力学, f 电子往往与核保持足够接近以保持磁性。然而,在镱和其他一些特殊情况下, f 电子在紧紧抓住原子核并向相邻原子冒出之间摇摆不定。

“镱 ˚F 电子是特殊的,因为他们已经被本地化和非定域之间的二元性,”鲍姆巴赫解释。“这有助于解释材料的塞贝克系数。”

下一步

现在他们已经发现并更好地理解了这种热电配方,Baumbach和Wei正在进一步探索。

他们测试的化合物的 ZT值在非常低的温度下达到峰值 - 大约-400华氏度或-240摄氏度。这在空间或仅用于其他低温应用中是有用的。但是通过在1-2-20秒内试验特定成分,科学家们说他们可以取得不同的结果。

“1-2-20系列化合物有很多化学变体,”Wei说。“这不仅仅是你会改变一个元素或另一个元素的百分之百,而是你可以进行化学替代。我们希望,通过这样做,我们将能够在ZT 值达到峰值的温度附近移动 并找到适合不同应用的材料。“

虽然对他们的成功感到高兴,但Baumbach和Wei似乎更兴奋地用他们的科学开辟了一整套新的蠕虫,这些科学将吸引成群的其他研究人员。

“这些人只是一个非常大的材料家族的几个例子,”Baumbach说。“我们认为这项工作会激发我们自己以外的团体的兴趣。”

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