Получен термоэлектрический материал с рекордными характеристиками

Физики из Калифорнийского технологического института и Шанхайского института керамики получили термоэлектрический материал с рекордно высокими характеристиками.

Для создания генератора, преобразующего тепловую энергию в электрическую, необходимы (см. рис. ниже) термоэлектрические полупроводники n- и p-типа. Генераторы на базе теллурида свинца PbTe появились довольно давно — в шестидесятых годах прошлого века; они устанавливались, к примеру, на космических аппаратах, где тепло предоставляли распадающиеся радиоизотопы. Термоэлектрические системы могли бы широко применяться и на Земле, но сначала нужно повысить их эффективность.

Добротный термоэлектрический материал должен хорошо проводить электричество, но иметь плохую теплопроводность. Для того чтобы формализовать эти требования, инженеры ввели параметр Z, равный S²•σ/k (на практике, впрочем, чаще используют безразмерную величину ZT, произведение Z на рабочую температуру). Здесь S — коэффициент термоэдс, σ — удельная электропроводность, а k — удельная теплопроводность.

Одним из способов увеличения ZT считается наноструктурирование — введение наноразмерных элементов в структуру материала, снижающее его теплопроводность. В начале этого года мы рассказывали о материале, который был получен включением нанокристаллов теллурида стронция в матрицу из PbTe, легированную теллуридом натрия. Он демонстрировал величину ZT = 1,7 при 815 К.

Авторы новой работы действовали иначе, стремясь увеличить электропроводность, но сохранив теплопроводность на прежнем уровне. С этой целью они заменили в теллуриде свинца около 20 процентов атомов теллура на атомы селена, добившись роста ZT до 1,8 при 850 К. «Я, конечно, мог что-то пропустить, но эта величина представляется мне самой значительной из обсуждавшихся специалистами в последние пять лет», — говорит руководитель группы Джеффри Снайдер (Jeffrey Snyder).

Если учёные хотят построить на основе такого материала термоэлектрический генератор, необходимо подобрать соответствующий полупроводник n-типа (созданные образцы PbTe_{1 – х}Se_х относятся к р-типу). Кроме того, нужно устранить проблему резкого снижения ZT с уменьшением температуры: очевидно, что найти применение генератору, эффективно работающему только при 850 К, будет сложно. По словам г-на Снайдера, именно эти две задачи физики и пытаются решить.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.