Фізики з Каліфорнійського технологічного інститута і Шанхайського інститута кераміки одержали термоелектричний матеріал з рекордно високими характеристиками.

Для створення генератора, що перетворить теплову енергію в електричну, необхідні (див. мал. нижче) термоелектричні напівпровідники n- і p-типу. Генератори на базі телурида свинця PbTe з'явилися досить давно - у шістдесятих роках минулого століття; вони встановлювалися, наприклад, на космічних апаратах, де тепло давав розпад радіоізотопів. Термоелектричні системи могли б широко застосовуватися і на Землі, але спочатку потрібно підвищити їхню ефективність.

Добротний термоелектричний матеріал повинен добре проводити електрику, але мати погану теплопровідність. Для того щоб формалізувати ці вимоги, інженери ввели параметр Z, рівний S²• σ/k (на практиці, втім, частіше використовують безрозмірну величину ZT, добуток Z на робочу температуру). Тут S — коефіцієнт термоЕРС, σ — питома електропровідність, а k — питома теплопровідність.

Одним зі способів збільшення ZT вважається наноструктурування — введення нанорозмірних елементів в структуру матеріалу, що знижує його теплопровідність. На початку цього року був створений матеріал, отриманий включенням нанокристалів телурида стронцію в матрицю з PbTe, леговану телуридом натрію. Він демонстрував величину ZT = 1,7 при 815 ДО.

Автори нової роботи діяли інакше, прагнучи збільшити електропровідність, але зберігши теплопровідність на колишньому рівні. Із цією метою вони замінили в телуриді свинцю близько 20 відсотків атомів телуру на атоми селену, домігшись росту ZT до 1,8 при 850 ДО. «Я, звичайно, міг щось пропустити, але ця величина здається мені найбільшою з тих, що обговорювалась фахівцями за останні п'ять років», - говорить керівник групи Джефрі Снайдер (Jeffrey Snyder).

Якщо вчені хочуть побудувати на основі такого матеріалу термоелектричний генератор, необхідно підібрати відповідний напівпровідник n-типу (створені зразки PbTe_{1 – х}Se_х відносяться до р-типу). Крім того, потрібно усунути проблему різкого зниження ZT зі зменшенням температури: очевидно, що знайти застосування генератору, що ефективно працює тільки при 850 ДО, буде складно. За словами Снайдера, саме ці два завдання фізики й намагаються вирішити.

Повна версія звіту опублікована в журналі Nature.

За матеріалами: science.compulenta.ru