Studie zeigt, wie sich die Zugabe von Verunreinigungen zu thermoelektrischen Materialien auf deren mechanische Eigenschaften auswirkt

Laut Wissenschaftlern ist Abwärme, die in die Umwelt gelangt und ungenutzt bleibt, für mehr als 70 % der weltweiten Energieverbrauchsverluste verantwortlich. Mit Hilfe thermoelektrischer Materialien – spezieller Halbleiter – kann die abgeführte Wärme in Strom umgewandelt werden. Thermoelektrische Materialien können auch zur Konstruktion von Kühlgeräten verwendet werden, die den Energieverbrauch in häuslichen und industriellen Anwendungen senken.

Die Suche nach diesen Materialien ist eine der zentralen Aufgaben der modernen Materialwissenschaft. Ein Team von Wissenschaftlern von Skoltech, dem Emanuel Institute of Biochemical Physics RAS sowie anderen führenden wissenschaftlichen Organisationen in Russland und Israel untersuchte, wie die Zugabe von Verunreinigungen zu Bleitellurid (PbTe), einem thermoelektrischen Material, dessen mechanische Eigenschaften beeinflussen und die Lebensdauer verlängern kann Lebensdauer eines thermoelektrischen Generators. Der Artikel wurde veröffentlicht in Briefe zur Angewandten Physik.

„Bleitellurid wird in Gaspipelines in der Jamal-Region verwendet, um den Betrieb von Sensoren sicherzustellen. Es ist unmöglich, dort Stromleitungen zu verlegen, und Dieselmotoren müssen ständig überwacht werden. Stattdessen werden kleine Röhren mit brennendem Gas verwendet, um Wärme bereitzustellen. Mit einem „Beim thermoelektrischen Material wird die Wärme des brennenden Gases in Strom umgewandelt, was ausreicht, damit die Sensoren funktionieren“, sagte Ilya Chepkasov, der Hauptautor der Studie und leitender Wissenschaftler am Energy Transition Center von Skoltech.

Das Material hat auch einige Nachteile: Es kann sich verschlechtern, wenn es mit Materialien in Kontakt kommt, die einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Eine leichte Verschlechterung kann von der Dotierung abhängen, bei der der Kristallstruktur eines Halbleiters Verunreinigungen hinzugefügt werden, um seine elektrischen und thermoelektrischen Eigenschaften zu ändern und die Leitfähigkeit kontrolliert und vorhersehbar zu machen.

Es gibt zwei Arten der Halbleiterdotierung. Durch Dotierung vom N-Typ entsteht ein Halbleiter, bei dem Elektronen die Hauptladungsträger sind. Durch P-Typ-Dotierung entsteht ein Halbleiter, bei dem die Hauptrolle bei der Ladungsübertragung den sogenannten „Löchern“ zugeschrieben wird – Stellen, die in einer elektronischen Bindung entstehen, nachdem das Elektron austritt. Sie sind positiv geladen und verhalten sich wie positive Teilchen.

Wissenschaftler haben gezeigt, dass die chemische Bindung im PbTe vom n-Typ schwächer wird, wenn sich die Lockerungsorbitale füllen. Dadurch wird das Material duktiler und bei thermischer Ausdehnung ist das Risiko einer Verschlechterung geringer als beim p-Typ.

„Abhängig von der Art der Dotierung können die mechanischen Eigenschaften des Materials auf unterschiedliche Weise variieren. Beim n-Typ-PbTe beeinflusst die Konzentration der Dotierstoffe die mechanischen Eigenschaften geringfügig. Beim p-Typ-PbTe gibt es einen deutlichen Anstieg.“ seine Härte. Wir haben den Grund für dieses Verhalten untersucht und herausgefunden, dass eine Dotierung vom n-Typ zu einem zusätzlichen Elektron auf dem sich lockernden Orbital führt. Dadurch wird das Material duktiler. Umgekehrt führt eine Dotierung vom p-Typ zu einer steiferen Bindung und ein fragileres Material“, fügte Chepkasov hinzu.

Die neuen Ergebnisse werden bei der Auswahl eines Dotierstoffs helfen, der die mechanischen Eigenschaften von Bleitellurid verbessert und die Haltbarkeit eines thermoelektrischen Generators erhöht. Die Forschung war Teil des Stipendiums Nr. 19-72-30043 der Russischen Akademie der Wissenschaften mit dem Titel „Labor für Computerdesign neuer Materialien“. Ziel des Projekts ist die Entwicklung neuer Berechnungsmethoden, die die Möglichkeiten der Computervorhersage von Materialien unter Berücksichtigung komplexer Faktoren wie Temperatur und Korrelationseffekte erheblich verbessern werden.