Die Suche nach thermoelektrischen Materialien, die Temperaturänderungen effizient in elektrische Spannung umwandeln, ist eine Herausforderung. Für eine optimale Leistung muss ein Material kleine Mengen an Wärme und große Mengen an Elektrizität leiten. Kristallstruktur und Elektronen, die Elektrizität transportieren, tragen jedoch auch Wärme. Forscher haben schwarzen Phosphor (BP) als Kandidaten für neuartige Anwendungen identifiziert. Das Dotieren von BP mit Arsen führt zu einem zweidimensionalen (2D) Material mit einer Struktur, die die Verbindung zwischen Wärme und elektrischer Leitfähigkeit aufheben kann. In 2D-Schichtmaterialien sind Elektronen innerhalb der Schichten sehr beweglich. Eine schwache chemische Bindung zwischen Schichten begrenzt jedoch die Wärmeübertragung zwischen Ebenen. Das bedeutet, dass die Struktur die Wärmeübertragung selektiv reduziert, was zu einer besseren Leistung führt.
Forscher haben herausgefunden, dass der Ersatz einiger Phosphoratome durch Arsen eine 2D-Struktur in BP stabilisiert. Diese Struktur führt zu einer verbesserten thermoelektrischen Leistung im Vergleich zu reinem BP. Das Potenzial für eine verbesserte Umwandlung von Abwärme in nutzbare elektrische Energie macht Arsen-dotiertes BP zu einem viel interessanteren Kandidaten als BP für energieeffiziente Technologien.
Temperaturabhängige Transportmessungen für verschiedene Arsendotierungsgrade zeigten, dass Arsenkonzentrationen von fast 20 Prozent die thermoelektrischen Eigenschaften von BP stark verbessern, was zu einer vergleichbaren oder sogar besseren Leistung als einige der herausragendsten thermoelektrischen Materialien führt. Diese Forschung untersuchte strukturelle Veränderungen von BP mit Arsendotierung und fand heraus, dass sich Arsenatome in Bezug auf die umgebenden Phosphoratome leicht nach außen bewegen, wodurch das BP-Kristallgitter verzerrt wird. Verzerrte Strukturen und asymmetrische Atombindungen erhöhen die Anharmonizität eines Kristalls, verlangsamen die wärmetransportierenden Gitterschwingungen (Phononen) und verringern so die Wärmeleitfähigkeit weiter.
Typischerweise hat sich herausgestellt, dass diese Dotierung die Mobilität der Elektronen reduziert, mit dem Nettoeffekt, dass die thermoelektrischen Eigenschaften reduziert werden. Dies tritt bei leicht dotierten BP-Proben nicht auf. Hier bleibt die elektronische Leitfähigkeit ausreichend hoch, da Elektronen Strom transportieren können, indem sie durch die vielen Defekte hüpfen, die durch Arsen-Dotierstoffe im Kristall erzeugt werden. Dieser Leitungsmechanismus stellt ein Gleichgewicht zwischen konkurrierenden Faktoren her und ermöglicht es dem Material, sich wie ein schlechter Phononenleiter, aber ein guter Elektronenleiter zu verhalten, was der Schlüssel zur Realisierung optimaler thermoelektrischer Materialien ist. Diese Studie zeigt, dass hocheffiziente thermoelektrische Materialien mit abgestimmten Eigenschaften realisiert werden können, indem einfach die chemische Zusammensetzung in der Synthesephase geändert wird.
Bhupendra Karki et al, Strukturelle und thermoelektrische Eigenschaften von schwarzem Arsen-Phosphor, ACS Angewandte Energiematerialien (2020). DOI: 10.1021/acsaem.0c01172