热电学的突破性发现:用光解读热传导性

突破性的科学往往是真正合作的结果,不同领域、不同观点和不同经验的研究人员以一种独特的方式走到一起。克莱姆森大学的研究人员的这种努力导致了一项可能改变热电科学前进方式的发现。研究生研究助理PrakashParajuli、研究助理教授SriparnaBhattacharya和克莱姆森纳米材料研

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  突破性的科学往往是真正合作的结果,不同领域、不同观点和不同经验的研究人员以一种独特的方式走到一起。克莱姆森大学的研究人员的这种努力导致了一项可能改变热电科学前进方式的发现。研究生研究助理 Prakash Parajuli、研究助理教授 Sriparna Bhattacharya 和克莱姆森纳米材料研究所(CNI)创始主任 Apparao Rao 与一个国际科学家团队合作,以一种新的方式–利用光来研究一种高效的热电材料。

  他们的研究已经发表在《先进科学》杂志上,题目是”高 zT 及其在 Sb 掺杂的 GeTe 单晶中的起源”。

  热电材料将热能转换为有用的电能;因此,人们对能够最有效地转换热能的材料很感兴趣衡量该领域进展的关键是功绩值,记为 zT,它高度依赖于热电材料的特性。许多热电材料表现出1-1.5 的 zT,这也取决于热电材料的温度。只有在最近,才有 zT 为 2 或更高的材料被报道。

  团队专注于研究碲化锗(GeTe)的特性,这是一种单晶材料,但没有任何掺杂的普通 GeTe 并没有显示出令人兴奋的特性。但是一旦向它添加一点锑,就可以显示出良好的电子特性,以及非常低的热导率。虽然其他人已经报告了具有高 zT 的 GeTe-based 材料,但这些是多晶体材料。多晶体在它们所形成的许多小晶体之间有边界。虽然这种边界有利于阻碍热传递,但它们掩盖了导致高 zT 的基本过程的起源。

  这种低热导率是一个惊喜,因为这种材料的简单晶体结构允许热量在整个晶体中轻松流动。关键是通过被称为声子的量化晶格振动来阻止热量的流动,同时允许电子流动。

  这项研究发现,在 GeTe 中掺入适量的锑,可以最大限度地提高电子流并最大限度地减少热流。每 100 个 GeTe 中存在 8 个锑原子会产生一组新的声子,从而有效地减少热流,这在实验和理论上都得到了证实。

  该团队与生长晶体的合作者一起,除了进行密度泛函理论计算外,还进行了电子和热传输测量,通过两种方式找到这一机制:第一,通过建模,使用热传导数据;第二,通过拉曼光谱,探测材料内部的声子。

  热电研究的全新角度从而出现:科学家现在可以用光来解码热电材料的热传导性,研究人员意识到用光测量的结果与通过热传输测量发现的东西很一致。热电的未来研究应该使用光–这是一种非常强大的非破坏性方法,可以阐明热电中的热传输,用光照耀样品,并收集信息,在得到准确结果的同时也不会破坏样品。

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