Вчені з Німеччини, Кореї і США зуміли очистити селенид олова від домішок оксиду олова і отримати матеріал з рекордною термоелектричною ефективністю. Результати дослідження опубліковані в журналі
Термоелектриками називають матеріали, в яких під дією градієнта температур виникає різність потенціалів. Всі процеси виробництва і транспортування супроводжуються втратою енергії, яка розсіюється у вигляді тепла, а за допомогою термоелектриків можна повернути частину цієї енергії, перетворивши її на електрику. Однак, вибір ефективних і доступних термоелектриків поки що досить обмежений. Для оцінки ефективності таких матеріалів використовують безрозмірний коефіцієнт ZT, обчислюваний за формулою:ZT = S2^ T/^ tot (де S - коефіцієнт Зеєбека, - електропровідність, Т - температура, a tot - теплопровідність).
Чим вище ZT, тим більше електроенергії можна отримати за допомогою термоелектричного перетворення. Найпопулярніші термоелектрики на основі телуріду свинцю і стронцію PbTe-SrTe мають ZT близько 2,2 - 2,5. Нещодавно увагу вчених привернув новий термоелектрик, селенид олова SnSe з високим коефіцієнтом Зеєбека - у цього матеріалу ZT доходить до 2,8. Однак, подальші дослідження показали, що ефективними термоелектриками можуть бути тільки монокристали SnSe, а більш доступний полікристалічний SnSe має занадто високу теплопровідність і для ефективного перетворення тепла в електрику не підходить.
У 2017 році Чон Ін (In Chung) із Сеульського університету та його колеги з'ясували, що причина високої теплопровідності SnSe в домішках оксидів і гідроксидів олова, які акумулюються на кордонах зерен. Теплопровідність діоксиду олова SnO2 в 140 разів вище порівняно з теплопровідністю SnSe, тому навіть невеликі домішки помітно впливають на властивості матеріалу. У своїй новій роботі вчені разом з колегами з Німеччини та США стали шукати способи отримання чистого селенида олова.
Як з'ясували Чон і його колеги, навіть олово із заявленою чистотою 99,999 відсотків містило сліди кисню і при реакції такого олова з селеном в якості побічного продукту утворюється оксид олова. Для очищення металу вчені запропонували таку процедуру: спочатку олово нагріли в атмосфері водню і аргону до 200 градусів Цельсія протягом шести годин, а потім поміщали у вакуум і плавили при температурі 1000 градусів Цельсія ще шість годин. Після охолодження і застивання на поверхні олова з'являвся чорний наліт - це і є діоксид олова. Наліт акуратно видаляли, а процедуру очищення повторювали до тих пір, поки діоксид олова не перестав з'являтися - всього три рази. Після цього з очищеного олова отримували селенид олова і ще раз нагріли його в атмосфері аргону і водню протягом шести годин. При цьому чистота селена на термоелектричні властивості продукту майже не впливала, тому для нього ніяких додаткових очищень не проводили. Наявність діоксиду олова контролювали за допомогою просвічувальної растрової електронної мікроскопії та атомно-зондової томографії. У зразках, оброблених воднем, вчені його не виявили, а ось у контрольних зразках він був дуже добре видний: на межах зерен концентрація кисню доходила до 15 відсотків. Частину зразків SnSe також допували натрієм - автори припустили, що це допоможе додатково знизити теплопровідність.
Як і очікували вчені, видалення оксиду олова допомогло знизити теплопровідність - при температурі 500 градусів Цельсія неочищений зразок мав теплопровідність 0,38 Ватт на метр на Кельвін, а очищений - 0,23 Ватт на метр на Кельвін. Зразки з натрієм мали ще нижчу теплопровідність - рекорд склав 0,07 Ватт на метр на Кельвін при температурі 510 градусів Цельсія. Щоб підтвердити результати останнього експерименту, його повторили тричі - в Сеульському Університеті, в Північно-Західному Університеті в США, і на базі виробника приладів Netzsch в Німеччині. Після цього авторам потрібно було впевнитися, що їх маніпуляції з селенидом олова не змінили важливі властивості цього матеріалу - коефіцієнт Зеєбека і електропровідність. Все виявилося гаразд: видалення оксиду олова ніяк на ці параметри не вплинуло, а добавки натрію навіть трохи поліпшили електропровідність і коефіцієнт Зеєбека за рахунок зниження рівня Фермі і збільшення ефективної маси дірки. Таким чином, полікристалічний SnSe з добавками натрію має високий коефіцієнт Зеєбека, високу електропровідність і низьку теплопровідність і можна очікувати від нього відмінних термоелектричних властивостей. Так і виявилося: ZT нового матеріалу доходить до 3,1 (при 510 градусах Цельсія) - на сьогоднішній день це рекордна величина термоелектричної ефективності. Автори сподіваються, що селенид олова і матеріали на його основі зможуть стати більш екологічною та ефективною заміною свинцевим термоелектрикам.
Термоелектричні генератори можна застосовувати і в носимих пристроях для отримання електроенергії з тепла людського тіла. У лютому китайські вчені створили гнущийся носимий термоелектричний генератор з ефектом самовстановлення. Напівпровідникові елементи в пристрої скріплені гнучкою полімерною стрічкою, а контакти зроблені з рідкого сплаву на основі галію. Пристрій можна згинати і навіть ламати - після повернення у вихідне положення, він відновлює провідність миттєво.