AILINCOM logo AILINCOM
Cursus

Cursus

May 27, 2025
Основная категория
Research and development · Biotechnology
Дополнительные
Energy and resources · Energy InfrastructureEcology and environment · Green Technologies

Монокристалл β-Zn4Sb3: дешевый путь к энергии из тепла

Монокристалл β-Zn4Sb3: дешевый путь к энергии из тепла

Ученые раскрыли механизм повышения эффективности β-Zn4Sb3 — термоэлектрика без редких элементов, способного преобразовывать тепло в электричество с рекордной эффективностью.

Cursus

Исследовательская группа разработала способ значительно повысить эффективность перспективного материала для сбора энергии — без использования редких или дорогих элементов. Речь идет о соединении β-Zn4Sb3, которое не содержит теллура и способно преобразовывать тепловые потери в электричество.

В своей работе, опубликованной в журнале Advanced Science, ученые применили передовые методы нейтронного рассеяния, чтобы изучить кристаллическую структуру материала. Они сделали неожиданное открытие: внутри кристалла атомы "гремят" в своих положениях, вызывая нарушения в распространении тепловых колебаний — фононов. Этот эффект, называемый "избежанием пересечения" (phonon avoided crossing), резко снижает теплопроводность материала, что является большим плюсом для термоэлектрических устройств.

Дополнительно, оказалось, что монокристаллическая форма β-Zn4Sb3 проводит электричество лучше, чем поликристаллическая, обеспечивая высокую эффективность преобразования энергии — 1,4%. Такие результаты доказывают: умелое управление фононами открывает путь к экологичным и эффективным решениям для преобразования тепла в электричество.

В термоэлектриках явление avoided crossing связано с взаимодействием между распространяющимися фононами и локализованными вибрациями, при котором их энергетические спектры не пересекаются, а отталкиваются друг от друга. Обычно это происходит при определённых симметриях кристалла или тесной связи между колебательными модами.

Однако в случае с монокристаллом β-Zn4Sb3 ученые обнаружили неожиданный avoided crossing, что указывает на уникальное поведение фононов, отличающееся от других термоэлектрических материалов.

В работе подробно анализируется эффективность β-Zn4Sb3 без теллура на уровне микроскопических механизмов, приводящих к ультранизкой решеточной теплопроводности (κL). С помощью неупругого нейтронного рассеяния (INS) впервые было экспериментально зафиксировано взаимодействие между продольными акустическими фононами и низкоэнергетическими "гремящими" модами, приводящее к avoided crossing. В результате скорость распространения фононов снижалась с 4000 м/с до 591 м/с, а их время жизни уменьшалось до менее чем 1 пикосекунды, что существенно ограничивает передачу тепла.

Монокристалл β-Zn4Sb3 достигает удивительно низкой теплопроводности — около 0,36 Вт/(м·К) в диапазоне температур 300–600 К, а максимальный термоэлектрический коэффициент эффективности (zT) составляет 1,0 при 623 К. Тестирование устройства показало эффективность преобразования (η) 1,4% в одномодульном термоэлектрическом элементе — один из лучших результатов для не легированного Zn4Sb3.

Структурный анализ с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) выявил отсутствие границ зерен и равномерное распределение моаровых полос, возникающих из-за вариаций содержания цинка. Эти наномасштабные особенности дополнительно усиливают рассеяние фононов, не ухудшая электронные свойства. По сравнению с поликристаллическими образцами монокристалл отличается значительно лучшей электропроводностью благодаря минимальному числу дефектов и оптимальной подвижности носителей заряда.

«Этот прорыв показывает, как можно управлять тепловыми потоками для создания более эффективных и экологичных энергетических технологий — без зависимости от дефицитных ресурсов», — отмечает профессор Хсин-Джэй Ву.

0 —

Comments (0)

Hot

Qnap has announced new NAS devices for video production

Oct 2, 202610/2/26 · 0 reactions

Tesla opened credit lines worth $30 billion

Oct 2, 202610/2/26 · 0 reactions

Air travel is on the rise, but new regulations are making the market more complicated.

Oct 1, 202610/1/26 · 0 reactions
Recommended
Cloud Computing

Qnap has announced new NAS devices for video production

Qnap has introduced three new NAS systems designed for video production tasks, equipped with USB4 ports for high-speed data transfer. These devices support various connection modes and are intended for use with high-capacity hard drives and SSDs.

Financial Analysis

Tesla opened credit lines worth $30 billion

Tesla has opened credit lines totaling $30 billion to finance major investments amid declining profits and rising capital expenditures. The new agreement expands the company's financial flexibility as it faces increasing pressure on its business.

Transportation Logistics

Air travel is on the rise, but new regulations are making the market more complicated.

Air transportation is becoming an increasingly important part of logistics, especially amid the instability of sea shipping. However, new regulations for preparing air waybills are creating additional challenges and risks for market participants.