对锡基热电材料的原子结构和动力学的中子探针揭示了其低热导率的微观机制。图片来源:橡树岭国家实验室
揭示了热电热传递背后的原子机制。
科学
热电器件将热能转化为电能，其原理是利用器件冷热部分之间的温差产生电压。研究人员利用中子研究了硫化锡和硒化锡的单晶，以便更好地了解在原子尺度上转换过程是如何发生的。他们测量了与温度相关的变化。测试发现，在不同温度下的结构变化与原子振动(声子)频率之间存在很强的联系。
这种联系影响着材料传导热量的方式。该研究还确定了能量转换的理想温度。它还提供了基本的科学见解，可用于协助研究人员创造具有改进热电性能的新材料。
的影响
热电材料是清洁能源技术的关键。研究人员利用中子散射来揭示声子重正化机制的细节。这就是解释两种常见热电材料极低导热率的量子力学过程。这一发现可能有助于研究人员为更高效的热电器件创造材料。它还将有助于改进可再生能源转换技术。
总结
热电装置把热能转化为电能。它们是可以减轻气候变化影响的清洁能源技术的一部分。热电技术的一个主要挑战是其相对较低的效率和有限的可用材料数量。为了设计更高效率的材料，科学家需要对实现超低导热率的机制有一个基本的了解。
为了解决这一长期存在的科学难题，杜克大学的研究人员利用中子散射实验，并结合其他技术，来探测典型的热电材料，锡(Sn)与硫(S)和硒(Se)结晶成双星——SnS和SnSe。
通过使用位于橡树脊国家实验室的能源部(DOE)用户设施的散裂中子源和高通量同位素反应堆的先进中子散射仪器，在150 K到1050 K的宽温度范围内测量了结构变化和声子光谱，揭示了在800 K时原子间距向一个方向扩展，但在其他方向收缩的跃迁。
动力学的测量也提供了关于原子在跃迁时振动频率急剧减少的关键信息，这是导致热传导减少的原因。这项工作还表明，观察到的声子行为可能存在于许多具有类似相变的其他材料中，如卤化物钙钛矿、氧化物铁电体或接近不稳定的热电体，极大地拓宽了能量转换材料的可能性池。
参考:“SnS和SnSe中声子色散的扩展非谐坍塌”，作者:T. Lanigan-Atkins, S. Yang, J. L. Niedziela, D. Bansal, A. F. May, A. A. Puretzky, J. Y. Y. Lin, D. M. Pajerowski, T. Hong, S. Chi, G. Ehlers和O. Delaire, 2020年9月4日，自然通讯。DOI: 10.1038 / s41467 - 020 - 18121 - 4
该研究由美国能源部科学办公室、基础能源科学、材料科学和工程部资助。这项研究还使用了美国能源部科学办公室的用户设施。
