Матеріал нового типу, створений австрійськими вченими, використовує різницю температур для вироблення електричного струму. Винахід відкриває дорогу до виготовлення енергонезалежних сенсорів та навіть невеликих процесорів.
Термоелектричні матеріали перетворюють тепло в електроенергію в результаті ефекту Зеєбека: якщо між двома кінцями такого матеріалу є різниця в температурі, виникає електрична напруга. Обсяг електричної енергії, яка виробляється таким чином, вимірюється в показниках добротності або ZT - чим він вищий, тим краще термоелектричні властивості.
До цього часу найвищим показником ZT було значення близько 2,5 - 2,8. Вчені з Технічного університету Відня розробили абсолютно новий матеріал з добротністю 5-6. Це тонкий шар заліза, ванадію, вольфраму та алюмінію на кристалі кремнію.
«Хороший термоелектричний матеріал повинен в достатній мірі демонструвати ефект Зеєбека та відповідати двом важливим вимогам, які складно примирити в одному матеріалі, — пояснив професор Ернст Бауер. - З одного боку, він повинен проводити електрику якнайкраще, з іншого — він повинен проводити тепло якомога гірше. Це непросто, оскільки електро- та теплопровідність зазвичай йдуть рука об руку».
«Атоми в цьому матеріалі зазвичай розташовуються строго регулярним чином в так званій гранецентрованій кубічній решітці», - каже Бауер. «Відстань між двома атомами заліза завжди однакова, і те ж саме вірно й для інших типів атомів. Отже, весь кристал є абсолютно регулярним».
Але як тільки тонкий шар матеріалу наноситься на кремній, відбувається щось дивне — структура кардинально змінюється. Хоча атоми все ще формують кубічну структуру, вони тепер розташовані в просторово-центрованій структурі, і розподіл атомів різних типів стає абсолютно випадковим. «Два атоми заліза можуть перебувати поруч один з одним, місця поруч з ними можуть бути зайняті ванадієм або алюмінієм, і більше не існує ніяких правил, що визначають, де буде знаходитися наступний атом заліза в кристалі», - пояснює Бауер.
Ця суміш регулярності та нерегулярності розташування атомів також змінює електронну структуру, яка визначає, як електрони рухаються у твердому тілі. «Електричний заряд проходить через матеріал особливим чином, так що він захищений від процесів розсіювання. Частини заряду, що проходять через матеріал, називаються ферміонами Вейля», - додає Бауер. Таким чином, досягається дуже низький електричний опір.
З іншого боку, коливання решітки, які переносять тепло з місць з високою температурою в місця з низькою температурою, придушуються нерівномірністю в кристалічній структурі. Отже, теплопровідність зменшується. Це важливо, коли електрична енергія повинна генеруватися через різницю температур, а якщо різниця температур зникне, термоелектричний ефект зупиниться.
Новий матеріал виявився настільки ефективним, що його можна використовувати для живлення сенсорів або навіть невеликих комп'ютерних процесорів, тобто він ідеально підходить для пристроїв інтернету речей. Така «батарейка» зробить їх дешевше та компактніше, адже додаткових акумуляторів або підведення живлення буде не потрібно — вони самі будуть генерувати достатньо електроенергії за рахунок різниці температур.
За матеріалами: Phys.org
