По оценкам учёных, на отработанное тепло, которое попадает в окружающую среду и не используется, приходится более 70% потерь глобального потребления энергии. С помощью термоэлектрических материалов — особых полупроводников — рассеиваемое тепло можно преобразовывать в электроэнергию. Это позволяет использовать тепло, выделяемое при сгорании топлива, для генерации электричества. Также термоэлектрики могут использоваться для создания устройств охлаждения, что помогает снизить потребление энергии в бытовых и промышленных приложениях.
Одной из главных задач современного материаловедения является поиск таких материалов. Коллектив учёных из Сколтеха, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН, а также других ведущих научных организаций России и Израиля изучил, как добавление примесей в термоэлектрический материал теллурид свинца может повлиять на их механические свойства и продлить срок службы термоэлектрического генератора. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters.
«Теллурид свинца применяется на газопроводах на Ямале, чтобы обеспечить работу различных датчиков. Провести линии электропередачи туда невозможно, а за дизельными двигателями нужно постоянно следить. Поэтому от газопровода отводят небольшие трубки, в которых горит газ. С помощью термоэлектрического материала тепло от горящего газа преобразуется в электроэнергию, которой достаточно, чтобы работали датчики», — поделился первый автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу, Сколтех.
У материала есть и недостатки: он может разрушаться на контакте с материалами, имеющими другой коэффициент теплового расширения. Лёгкость разрушения может зависеть от легирования — это процесс добавления примесей в кристаллическую структуру полупроводника для изменения его электрических и термоэлектрических свойств и создания управляемой и предсказуемой проводимости. Есть два вида легирования полупроводников. Легирование n-типа приводит к получению полупроводника, в котором основными носителями заряда являются электроны. Результатом легирования p-типа является полупроводник, где основную роль в передаче заряда выполняют так называемые «дырки» — места, которые образуются в электронной связи после выхода электрона, имеют положительный заряд и ведут себя как положительные частицы.
Учёные показали, что в n-типе химическая связь в материале ослабевает за счёт заполнения разрыхляющих орбиталей. Это приводит к тому, что материал становится более пластичным и при термическом расширении вероятность его деградации ниже, чем в p-типе.
«В зависимости от типа допирования механические свойства материала могут изменяться по-разному. В n-типе механические свойства незначительно зависят от концентрации допантов. В p-типе наблюдается значительный рост твердости материала. Мы изучили причину такого поведения и обнаружили, что в результате допирования n-типа на разрыхляющей орбитали появляется лишний электрон. Из-за этого материал становится более пластичным. А при допировании p-типа наоборот — связь становится более жёсткой, а материал более хрупким», — продолжил Илья Чепкасов.
Изображение. (а) Кристаллическая структура рассмотренных суперячеек нелегированного и легированного теллурида свинца. (b) Функция локализации электронов легированного теллурида свинца. Источник: Origin of brittle behavior of doped PbTe-based thermoelectric materials.
Новые результаты помогут подобрать такой допант, который позволит улучшить механические свойства теллурида свинца и увеличить долговечность термоэлектрического генератора. Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 19-72-30043 «Лаборатория компьютерного дизайна новых материалов». Проект нацелен на развитие новых вычислительных методов, которые значительно усилят возможности компьютерного предсказания материалов, учитывая такие «сложные» факторы как температурные и корреляционные эффекты.
Сколтех — негосударственный международный университет (входит в группу ВЭБ.РФ), который готовит новое поколение лидеров в области науки, технологий и бизнеса, проводит передовые исследования по приоритетным направлениям научно-технологической повестки, содействует внедрению технологий и развитию предпринимательства. В институте работают центры по шести основным направлениям — это телекоммуникации, фотоника и квантовые технологии; науки о жизни и здоровье и агротехнологии; искусственный интеллект; современные материалы и инженерия; энергоэффективность и энергопереход; перспективные исследования. Основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом, Сколтех дважды вошёл в топ-100 лучших молодых университетов мира престижного рейтинга Nature Index (2019 и 2021 год), а в 2022 году стал лучшим в России университетом в области компьютерных наук, генетики и молекулярной биологии по версии рейтинга Research.com. Сайт: https://www.skoltech.ru/.