新しい熱電は、前任者の2倍の効率であることが判明しました

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ビデオ: 【1分解説】高効率な熱電変換を可能にする新しいタイプの大振幅原子振動【産総研公式】 2022, 十一月
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Anonim
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科学者たちは、熱電効率が異常に高い、つまり熱エネルギーを直接電気に変換する能力を持つ物質のファミリーを発見しました。 Fe2V0.8W0.2Al化合物で最も高い値が見つかりました。これは、以前の記録の2倍以上でした。しかし、パラメータは間接的な方法で推定されており、研究対象の物質自体は準安定であるため、この特定の材料の大規模な適用はありそうにない、と著者はジャーナルNatureに書いています。

熱電は、体の反対側に温度差が生じると電流が発生する物質です。ゼロ以外の熱電効果は、ほとんどすべての材料で一般的ですが、ほとんどの場合、実際の使用には小さすぎます。しかし、テルル化ビスマス(III)などの最新の熱電素子の特性でさえ、一部の地域でのみ需要が発生するようになりました。同時に、多くのデバイスの動作が熱エネルギーの放出につながるため、このような化合物の可能性は非常に大きく、通常は使用されるのではなく放散されます。

熱電によって生成される電流は、温度差と熱電効果の係数ZTに依存します。これは、物質の他のパラメータに依存します。ZT=(S2 /ρλ)×T、ここで、S、ρ、およびλはゼーベック係数です。それぞれ電気抵抗と熱伝導率、Tは対応する特性が測定される温度です。最近まで、記録されたZT値は2、5-2、8の範囲でした。

熱電効率の式に含まれる値は独立していないため、個別に最適化することはできません。一方の指標が改善すると、もう一方の指標が悪化する可能性があります。比較的自由に変更できる唯一の特性は、熱伝導率のフォノン成分であり、電子部品と一緒になって全体の値を決定します。システムのサイズと寸法が小さくなると、フォノンの移動度が低下し、その結果、熱電効率が向上することが知られています。したがって、多くの研究が薄膜の中から新しい材料を見つけることを目的としています。

ウィーン工科大学のErnstBauerの指導の下、オーストリア、中国、日本の物理学者の研究では、Fe2V1-xWxAlの組成を持つ物質からの薄膜の熱電特性の研究が説明されています。最良の指標はFe2V0.8W0.2Alで見つかりました。彼にとって、実験では、ZTの式に含まれる量が測定され、そこから効率自体が計算されました。実験の条件にもよりますが、測定誤差を考慮すると、5〜6のレベルであることがわかりました。

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研究対象の化合物の熱電特性。 NS -ゼーベック係数、 NS - 電気抵抗 NS -抵抗に対するゼーベック係数の2乗の比率、 NS -熱電効率。

物質の構造が重要な特徴の1つであることが判明しました。三次元Fe2V0.8W0.2Al結晶は、同じタイプの任意の原子間で同じ距離を持つ面心立方格子を持っています。しかし、膜をシリコン基板上に成長させると、原子間の距離に規則性がない、体心格子を有する準安定相が得られた。このような構造は、一方では電流をよく伝導し、他方ではその不規則性が熱伝導率の抑制を引き起こしました。つまり、優れた熱電に必要な特性を兼ね備えています。

著者らは、必要な構造は基板上の膜の形でのみ安定しており、大量のエネルギーを変換できないため、この開発が熱電の分野を覆す可能性は低いと述べています。ただし、このような要素は、センサーやその他のデバイスに電力を供給するために電子機器に組み込むことができます。この研究はまた、熱電の可能性と、記録的な特性を持つ新しい物質を発見するための可能な方法を示しています。

以前、科学者たちは電気塗料発生器を示し、フラクタルを使用して熱を電気に変換する効率を高め、室温で無毒の熱電を発見しました。

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