Peningkatan Thermoelectrics: Tim peneliti di Tu Wien telah menunjukkan bagaimana arus listrik dapat dihasilkan menggunakan “kemacetan lalu lintas elektron” dalam bahan -bahan tertentu.
Listrik dapat dengan mudah dikonversi menjadi panas – setiap kompor listrik melakukannya. Tapi apakah yang sebaliknya juga mungkin? Bisakah panas diubah menjadi listrik – secara langsung, tanpa turbin uap atau jalan memutar serupa? Fisikawan Thomas Seebeck menjawab pertanyaan ini dengan 'ya' yang jelas lebih dari 200 tahun yang lalu. Dia mampu menunjukkan bahwa bahan -bahan tertentu, yang dikenal sebagai “termoelektrik”, menghasilkan listrik ketika dipanaskan di satu sisi dan didinginkan di sisi lain. Perbedaan suhu menciptakan energi listrik – tanpa perlu generator mekanis. Ini sekarang dikenal sebagai “Efek Seebeck”.
Generator termoelektrik seperti itu sangat praktis ketika sejumlah kecil energi listrik diperlukan. Mereka digunakan dalam misi luar angkasa, misalnya. Sayangnya, bagaimanapun, bahan termoelektrik yang diketahui hingga saat ini tidak cukup efisien untuk menggantikan pembangkit listrik konvensional dalam skala besar. Kelompok kerja yang dipimpin oleh Prof. Andrej Pustogow di Institute of Solid State Physics di Tu Wien karena itu sedang menyelidiki bahan baru dengan sifat termoelektrik yang lebih baik. Sekarang, menggunakan trik baru, mereka telah berhasil secara signifikan meningkatkan kinerja termoelektrik.
Lebih Banyak Panas – Lebih Banyak Mobilitas
“Terlepas dari satu abad penelitian intensif tentang bahan semikonduktor, belum ada kemajuan yang signifikan sejak penemuan senyawa bismuth Telluride pada 1950 -an yang akan menyebabkan penggunaan teknologi yang tersebar luas dan sehari -hari,” kata Andrej Pustogow. “Kami sekarang telah mengambil langkah besar ke depan – dengan bahan logam yang belum menjadi fokus perhatian di bidang ini sampai sekarang.”
Efek Seebeck didasarkan pada fakta bahwa mobilitas pembawa muatan positif dan negatif tergantung pada bahan di satu sisi, tetapi juga pada suhu di sisi lain. “Mari kita asumsikan kita memiliki semikonduktor di mana hanya muatan listrik negatif yang dapat bergerak,” kata Andrej Pustogow. “Pada awalnya, mereka didistribusikan secara merata di seluruh material, yang secara elektrik netral di mana -mana. Namun, jika satu sisi dipanaskan dan yang lainnya didinginkan, pembawa muatan negatif bergerak lebih cepat dan lebih jauh di sisi panas, sehingga akan ada lebih sedikit muatan negatif di sana daripada di sisi dingin.” Ini menciptakan perbedaan tegangan dari mana energi listrik dapat diperoleh.
Dalam sebagian besar bahan logam, pembawa muatan positif dan negatif dapat bergerak. Ini berarti bahwa kedua jenis operator muatan seluler cenderung ditemukan lebih banyak di sisi dingin daripada sisi panas. “Plus dan minus satu sama lain, jadi tidak ada tegangan yang dihasilkan dengan cara ini,” kata Andrej Pustogow. “Itu sebabnya bahan logam hampir tidak dipertimbangkan sehubungan dengan efek termoelektrik. Diperkirakan mereka tidak cocok untuk tujuan ini. Namun, kita sekarang telah dapat menunjukkan bahwa logam memang bisa menjadi termoelektrik yang sangat baik.”
Kecepatan yang berbeda – kemacetan lalu lintas operator pengisian daya
Trik penting adalah memastikan bahwa pembawa muatan positif dan negatif bergerak pada kecepatan yang berbeda. “Anda bisa membayangkan pergerakan tuduhan seolah -olah mereka berada di jalan raya,” jelas Pustogow. 'Muatan positif mengalir di jalur kiri dan muatan negatif di jalur kanan. Dengan membuat kemacetan lalu lintas di jalur kiri, biaya positif macet, sedangkan muatan negatif mengalir tanpa hambatan di jalur kanan. “Dengan cara ini, termoelektrik yang sangat baik dapat diperoleh, bahkan jika mereka memiliki pembawa muatan positif dan negatif.
“Kemacetan lalu lintas” dibuat dengan memasukkan tambahan pembawa muatan tidak bergerak ke dalam materi. Tim ini mampu menunjukkan bahwa ini bekerja dengan paduan nikel-emas tertentu pada awal tahun 2023. “Sekarang kami telah menemukan alternatif yang jauh lebih murah tanpa emas dalam senyawa nikel dan indium,” kata Fabian Garmroudi, penulis pertama penelitian.
Geometri yang mengingatkan pada tenun keranjang Jepang
Dalam pencarian mereka untuk alternatif baru – dan di atas semua lebih murah -, para peneliti menemukan apa yang disebut logam kagome. Istilah “kagome” awalnya berasal dari Jepang dan mengacu pada keranjang bambu yang ditenun dengan pola istimewa segi enam dan segitiga yang menyentuh tepi mereka.
“Anehnya, ada bahan -bahan di alam di mana atom mengatur diri mereka sendiri dalam pola ini. Kami menyebut ini 'frustrasi geometris'. Misalnya, ternyata tuduhan bisa menjadi sangat tidak dapat bergerak dan terjebak dalam bintang Kagome,” jelas Garmroudi.
Prospek emas – bahkan tanpa emas
Para peneliti sekarang telah dapat menunjukkan bahwa geometri kagome ini dapat menyebabkan efek Seebeck yang sangat besar – jauh lebih besar daripada pada paduan nikel -emas yang sebelumnya digunakan. Sementara muatan negatif mengalir tanpa hambatan dalam logam kagome, akumulasi muatan positif pada suhu kamar memungkinkan efisiensi yang sangat tinggi: termoelektrik baru bahkan dapat melebihi bismuth Telluride Thermoelectrics yang tersedia secara komersial. “Dengan logam kagome ini, kami telah memukul emas, dan kami sekarang secara sistematis meningkatkan sifat termoelektrik mereka dengan keahlian kami dalam menyetel frustrasi geometris,” kata Pustogow, yang timnya di TU Wien telah mempelajari bahan -bahan yang frustrasi selama bertahun -tahun.
Masa depan keemasan untuk termoelektrik
Magnet tidak konvensional: Stres mengurangi frustrasi
Publikasi asli
F. Garmroudi et al., Topologis flat-pand-driven Thermoelectricity, Phys. Rev. x 15, 021054 (2025).
