Впервые в мире: ученые добывают электричество из тепла весьма необычным способом

Исследователи из Токийского университета естественных наукпродемонстрировали поперечное термоэлектрическое преобразование в WSi2, открывая путь к созданию более эффективных термоэлектрических устройств. Об этом пишет Interesting Engineering.

Группа ученых под руководством доцента Рюдзи Окадзаки с кафедры физики и астрономии TUS обнаружила, что WSi2 является перспективным кандидатом для устройств на основе поперечного термоэлектрического эффекта (TTE).

Поперечное термоэлектрическое преобразование

"Поперечное термоэлектрическое преобразование — это явление, которое привлекает внимание как новая основная технология для датчиков, способных измерять температуру и тепловой поток", — сказал профессор Оказаки.

Исследование включало проведение экспериментальных и вычислительных исследований транспортных свойств монокристаллов WSi2.

Физические эксперименты и компьютерное моделирование

Исследователи проанализировали свойства WSi2 посредством комбинации физических экспериментов и компьютерного моделирования. Они измерили термоЭДС, электрическое сопротивление и теплопроводность монокристалла WSi2 вдоль двух его кристаллографических осей при низких температурах.

Их выводы показали, что полярность проводимости, зависящая от оси (ADCP) WSi2, вытекает из его уникальной электронной структуры, характеризующейся смешанными размерными поверхностями Ферми.

Эта структура показывает, что электроны и дырки (положительные носители заряда) существуют в разных измерениях. Поверхность Ферми — это теоретическая геометрическая поверхность, которая разделяет занятые и незанятые электронные состояния носителей заряда внутри твердого материала. В WSi2 электроны образуют квазиодномерные поверхности Ферми, а дырки — квазидвумерные поверхности Ферми. Эти уникальные поверхности Ферми создают проводимость, зависящую от направления, что обеспечивает эффект TTE, согласно пресс-релизу.

Чтобы продемонстрировать поперечный термоэлектрический эффект, исследователи применили градиент температуры под углом 45 градусов к кристаллографической оси.

Исследователи наблюдали сильно зависящие от образца транспортные свойства, которые также наблюдались в предыдущих исследованиях, и вместе с расчетами из первых принципов они показывают, что такие зависящие от образца транспортные свойства возникают из зависящих от зоны скоростей рассеяния носителей.

Рассчитанная разрешенная по зоне проводимость Пельтье показывает, что смешанная размерная электронная структура, состоящая из квазиодномерной электронной поверхности Ферми и квазидвумерной дырочной поверхности, является ключевым свойством для полярности проводимости, зависящей от оси, согласно исследованию.

Носители заряда

В исследовании ученые отметили, что они наблюдали различия в том, как эти носители заряда проводят электричество от образца к образцу, что согласуется с результатами предыдущих исследований.

Используя моделирование, основанное на первых принципах, исследователи показали, что эти изменения были вызваны различиями в том, как носители заряда рассеиваются из-за несовершенств структуры кристаллической решетки WSi2.

Физические эксперименты и компьютерное моделирование

Исследователи проанализировали свойства WSi2 посредством комбинации физических экспериментов и компьютерного моделирования. Они измерили термоЭДС, электрическое сопротивление и теплопроводность монокристалла WSi2 вдоль двух его кристаллографических осей при низких температурах.

Их выводы показали, что полярность проводимости, зависящая от оси (ADCP) WSi2, вытекает из его уникальной электронной структуры, характеризующейся смешанными размерными поверхностями Ферми.

Эта структура показывает, что электроны и дырки (положительные носители заряда) существуют в разных измерениях. Поверхность Ферми — это теоретическая геометрическая поверхность, которая разделяет занятые и незанятые электронные состояния носителей заряда внутри твердого материала. В WSi2 электроны образуют квазиодномерные поверхности Ферми, а дырки — квазидвумерные поверхности Ферми. Эти уникальные поверхности Ферми создают проводимость, зависящую от направления, что обеспечивает эффект TTE.

Чтобы продемонстрировать поперечный термоэлектрический эффект, исследователи применили градиент температуры под углом 45 градусов к кристаллографической оси.

Исследователи наблюдали сильно зависящие от образца транспортные свойства, которые также наблюдались в предыдущих исследованиях, и вместе с расчетами из первых принципов они показывают, что такие зависящие от образца транспортные свойства возникают из зависящих от зоны скоростей рассеяния носителей.

Рассчитанная разрешенная по зоне проводимость Пельтье показывает, что смешанная размерная электронная структура, состоящая из квазиодномерной электронной поверхности Ферми и квазидвумерной дырочной поверхности, является ключевым свойством для полярности проводимости, зависящей от оси, согласно исследованию.

Носители заряда

В исследовании ученые отметили, что они наблюдали различия в том, как эти носители заряда проводят электричество от образца к образцу, что согласуется с результатами предыдущих исследований.

Используя моделирование, основанное на первых принципах, исследователи показали, что эти изменения были вызваны различиями в том, как носители заряда рассеиваются из-за несовершенств структуры кристаллической решетки WSi2.