Термоэлектрические материалы преобразуют тепло в электричество и наоборот, а их атомная структура тесно связана с тем, насколько хорошо они работают.
Теперь исследователи обнаружили, как изменить атомную структуру высокоэффективного термоэлектрического материала, селенида олова, с помощью интенсивных импульсов лазерного излучения . Этот результат открывает новый способ улучшения термоэлектриков и множества других материалов путем управления их структурой, создания материалов с совершенно новыми свойствами, которых может не быть в природе.
«Для этого класса материалов это чрезвычайно важно, потому что их функциональные свойства связаны с их структурой», — сказал Ицзин Хуанг, аспирант Стэнфордского университета, сыгравший важную роль в экспериментах в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики. «Изменяя характер света, который вы излучаете, вы можете адаптировать характер материала, который создаете».
Эксперименты проводились на рентгеновском лазере на свободных электронах SLAC, когерентном источнике света Linac (LCLS). Результаты были опубликованы сегодня в Physical Review X и будут освещены в специальном сборнике, посвященном сверхбыстрой науке.
Тепло против света
Поскольку термоэлектрики преобразуют отработанное тепло в электричество, они считаются формой зеленой энергии. Термоэлектрические генераторы обеспечивали электроэнергией проект посадки на Луну Аполлона, и исследователи искали способы использовать их для преобразования тепла человеческого тела в электричество, среди прочего, для зарядки гаджетов. Работая в обратном направлении, они создают градиент тепла, который можно использовать для охлаждения вина в холодильниках без движущихся частей.
Селенид олова считается одним из наиболее перспективных термоэлектрических материалов , выращиваемых в виде отдельных кристаллов , относительно дешевых и простых в изготовлении. По словам Хуанга, в отличие от многих других термоэлектрических материалов, селенид олова не содержит свинца и является гораздо более эффективным преобразователем тепла. Поскольку он состоит из правильных кубоподобных кристаллов, похожих на кристаллы каменной соли, его также относительно легко изготовить и возиться с ним.
Чтобы изучить, как эти кристаллы реагируют на свет, команда ученых воздействовала на селенид олова интенсивными импульсами лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона, чтобы изменить его структуру. Свет возбуждал электроны в атомах образца и сдвигал положения некоторых из этих атомов, искажая их расположение.
Затем исследователи отследили и измерили эти движения атомов и результирующие изменения в структуре кристаллов с помощью импульсов рентгеновского лазерного излучения от LCLS, которые достаточно быстры, чтобы зафиксировать изменения, происходящие всего за миллионные миллиардные доли секунды.
«Вам нужны сверхбыстрые импульсы и атомное разрешение, которые дает нам LCLS, чтобы реконструировать направление движения атомов», — сказал соавтор исследования Дэвид Рейс, профессор SLAC и Стэнфорда и директор Стэнфордского института PULSE. «Без этого мы бы неправильно поняли историю».
Поразительный результат
Этот результат был довольно неожиданным, и когда Хуанг рассказала остальным членам команды, что она видела в ходе экспериментов, они с трудом ей поверили.
Одним из проверенных способов изменения атомной структуры селенида олова является применение тепла, которое изменяет материал предсказуемым образом и фактически улучшает его характеристики. Принято считать, что применение лазерного излучения дает такой же результат, как и нагрев.
«Это то, что мы изначально думали, что произойдет», — сказал научный сотрудник SLAC Мариано Триго, исследователь из Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) в SLAC.
«Но после почти двухлетнего обсуждения Ицзин наконец убедил остальную часть команды, что нет, мы вели материал к совершенно другой структуре. Я думаю, что этот результат противоречит интуитивным представлениям большинства людей о том, что происходит, когда вы возбуждаете электроны до более высоких энергий . уровни».
Теоретические расчеты Шан Янг, аспиранта Университета Дьюка, подтвердили правильность этой интерпретации экспериментальных данных.
«Этот материал и его класс, безусловно, очень интересны, потому что это система, в которой небольшие изменения могут привести к совершенно другим результатам», — сказал Рейс. «Но способность создавать совершенно новые структуры с помощью света — структуры, которые мы не знаем, как сделать каким-либо другим способом, — по-видимому, более универсальна».
Он добавил, что одной из областей, где это может быть полезно, является многолетний поиск сверхпроводников — материалов, проводящих электричество без потерь, — которые работают при температуре, близкой к комнатной.
Теги: кристалл, лазер, энергия
