La tecnologia termoelettrica può generare elettricità dal calore di scarto, sebbene le loro prestazioni possano comportare un collo di bottiglia per applicazioni più ampie. Gli scienziati dei materiali possono regolare l'entropia configurazionale di un materiale introducendo diverse specie atomiche per regolare la composizione delle fasi ed estendere lo spazio di ottimizzazione delle prestazioni. In un nuovo rapporto ora su Scienza , Binbin Jang et al. utilizzato un materiale ad alta entropia a base di seleniuro di piombo (PbSe) di tipo n formato dalla stabilizzazione strutturale guidata dall'entropia. I reticoli ampiamente distorti nel sistema ad alta entropia hanno causato insolite deformazioni di taglio per fornire una forte dispersione fononica per ridurre la conduttività termica del reticolo. Il lavoro presenta un nuovo paradigma per migliorare le prestazioni termoelettriche per materiali termoelettrici ad alta entropia utilizzando l'ingegneria dell'entropia.

Tecnologia termoelettrica

Gli scienziati dei materiali hanno ideato tecnologie in grado di catturare il calore di scarto che risulta dai processi di conversione che contribuiscono a più di due terzi degli sprechi energetici nel mondo. La tecnologia termoelettrica è un'opzione interessante per un facile adattamento in molte situazioni grazie alle sue dimensioni ridotte, assenza di parti rotanti ed emissioni di gas. Un ostacolo esistente alla tecnologia termoelettrica è la sua bassa efficienza di conversione. Tipicamente, i ricercatori possono determinare l'efficienza energetica relativa alla conduttività elettrica e alla conduttività termica reticolare dei materiali termoelettrici. I ricercatori avevano quindi ottimizzato i parametri sintonizzando le strutture delle bande, microstrutture e stati di legame con una gamma di metodi proposti nella convergenza di banda, livello di risonanza, lega, nanostruttura e ioni liquidi. Sebbene denominati in modo diverso, questi metodi generalmente aiutano a migliorare le proprietà di trasporto elettrico e distruggono il percorso di trasporto termico.

Leghe ad alta entropia (HEA)

Le leghe ad alta entropia (HEA) in genere forniscono un percorso per migliorare le prestazioni termoelettriche rafforzando la diffusione dei fononi in base al loro disordine e al reticolo distorto. Gli scienziati possono regolare le proprietà elettroniche del materiale per mantenere il trasporto di elettroni da utilizzare in un'ampia gamma di composizioni chimiche. Questi materiali sono tipicamente definiti come una soluzione solida contenente più di cinque elementi principali e il concetto può essere esteso per creare materiali funzionali stabilizzati entropia. Gli scienziati dei materiali avevano inizialmente riportato materiali funzionali ad alta entropia stabilizzati entropia contenenti magnesio, cobalto, nichel, rame, ossido di zinco seguito da perovskiti, fluorite, spinelli, carburi e siliciuri. In ogni dato sistema, quando l'aumento dell'entropia è maggiore di quello dell'entalpia, l'entropia configurazionale aumenterà con l'aumentare delle specie di elementi, portando a una diminuzione dell'energia libera di Gibbs e a una struttura cristallina stabilizzata. I ricercatori possono anche formare una nuova fase utilizzando l'entropia come forza trainante per l'ottimizzazione delle prestazioni. Strutture così stabilizzate, ha mantenuto l'energia libera dove l'effetto di stabilizzazione strutturale ha utilizzato la competizione tra entropia ed entalpia. Jang et al. calcolato l'entalpia e l'entropia vibrazionale utilizzando la teoria del funzionale della densità per mostrare come l'effetto di stabilizzazione strutturale entropia-driven di un sistema di materiali ha formato un metodo efficace per creare diversi materiali ad alta entropia con una composizione oltre il limite di solubilità per fornire una vasta gamma di proprietà per prestazioni ottimizzate.

Le strutture stabilizzate hanno mantenuto un ordine a lungo raggio di disposizione atomica per formare una rete di trasporto elettrico. Il disordine a corto raggio nei materiali ad alta entropia ha causato il disordine reticolare di disperdere fortemente i fononi che trasportano calore che hanno abbassato la conduttività termica del reticolo dei materiali ad alta entropia, per poi produrre proprietà di trasporto termico con differenza di temperatura nel modo termoelettrico. I ricercatori avevano precedentemente notato prestazioni termoelettriche migliorate in una gamma di materiali ad alta entropia. Però, Jang et al. Resta da capire la relazione tra entropia configurazionale, microstruttura e proprietà termoelettriche. Per esempio, la solubilità nei materiali è limitata a causa delle dimensioni e delle differenze di massa tra gli atomi di soluto e solvente, rendendo difficile realizzare leghe ad alta entropia semplicemente aumentando il contenuto di lega. Il team ha quindi studiato il contenuto elementare dei materiali utilizzando modelli di diffrazione dei raggi X (XRD) e mappatura della spettroscopia a dispersione di energia (EDS). Hanno cercato materiali con composizioni oltre il limite di solubilità per fornire una gamma variata per prestazioni ottimali. Ad ulteriore conferma dell'architettura e dell'omogeneità dei materiali, hanno condotto un campo oscuro anulare ad alto angolo (HAADF) e analisi EDS a raggi X atomici con microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM). I risultati hanno mostrato che la distribuzione di tutti gli elementi è omogenea dalla micro alla nanoscala. Utilizzando mappature EDS ad altissima risoluzione, Jang et al. ha ulteriormente chiarito i reticoli atomici e le posizioni di ciascun elemento, dove le disposizioni atomiche ben definite erano distinte dai materiali amorfi.

Stabilizzazione guidata dall'entropia

Durante il processo di stabilizzazione guidata dall'entropia, hanno raggiunto una disposizione atomica ben mantenuta, ma il forte disadattamento delle dimensioni atomiche ha compromesso il reticolo per influenzare fortemente il processo di trasporto termico. Il team ha misurato il cambiamento dei ceppi da bassa entropia ad alta entropia utilizzando campioni e ha mostrato come i risultati sono triplicati durante il processo. Hanno quindi utilizzato la diffrazione elettronica a nanofascio (NBED) per rilevare le deformazioni reticolari e hanno studiato la deformazione su scala atomica utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione e il campo oscuro anulare ad alto angolo (STEM-HAADF). La stabilizzazione strutturale guidata dall'entropia all'interno del sistema di materiali ha lavorato insieme al reticolo gravemente distorto per effettuare il trasporto elettrico e termico all'interno del materiale. Quando Jang et al. in seguito introdusse lo stagno (Sn) in un materiale, hanno mantenuto la stabilità degli elettroni e hanno notato come una diminuzione del bandgap piuttosto che un'elevata entropia determinasse un'eccitazione intrinseca ad alta temperatura.

Veduta

In questo modo, Binbin Jian e colleghi hanno mostrato un metodo per formare diversi materiali termoelettrici ad alta entropia tramite la stabilizzazione strutturale guidata dall'entropia con proprietà di trasporto elettrico che sono ben mantenute dalla struttura stabilizzata. Le grandi deformazioni del reticolo gravemente distorto nei materiali ad alta entropia hanno fornito una forte diffusione per i fononi che trasportano calore, contribuendo così ad una conduttività termica reticolare ultrabassa. Questi risultati hanno portato a migliori funzioni di temperatura per i materiali ad alta entropia, insieme ad un'elevata efficienza di conversione termica durante gli esperimenti. Il lavoro fornisce informazioni sull'ingegneria dell'entropia per materiali e moduli termoelettrici ad alte prestazioni come un percorso interessante per sviluppare materiali funzionali ad alte prestazioni.

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