Berechnung thermischer Eigenschaften aus Phononenverhalten

Eine neue Studie bestimmt die thermischen Eigenschaften fortschrittlicher Feststoffmaterialien auf der Grundlage von First-Principles-Berechnungen von Quantenschwingungen.

Da der Energiebedarf unserer modernen Welt weiter wächst, ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie Wärme durch die Materialien fließt, die wir zum Bau unserer Technologie verwenden. Durch neue Forschungsergebnisse veröffentlicht in Das European Physical Journal BVinod Solet und Sudhir Pandey vom Indian Institute of Technology Mandi haben die thermischen Eigenschaften einer besonders vielversprechenden Legierung auf der Grundlage von First-Principles-Berechnungen von Phononen genau abgeschätzt.

Diese Legierung besteht aus Scandium (Sc), Silber (Ag) und Kohlenstoff (C) und könnte bald ein Schlüsselbestandteil von Geräten werden, die Wärme in Elektrizität umwandeln. Aufgrund ihres geringen Reflexionsvermögens und ihrer starken Photonenabsorption wäre sie besonders gut für hocheffiziente Solarzellen geeignet.

Phononen sind Quantenteilchen, die die kleinsten Einheiten der Schwingungsenergie in einem Festkörper darstellen, oder mit anderen Worten „Wärmequanten“. Sie sind ein wesentlicher Faktor für das wärmebezogene Verhalten fester Materialien wie ScAgC: Sie bestimmen Eigenschaften wie ihre Wärmeausdehnung und die Geschwindigkeit der Wärmeleitung durch ihre Molekülgitter. Während diese Effekte in früheren Studien ausführlich untersucht wurden, wurden sie noch nicht theoretisch durch First-Principles-Berechnungen des Phononenverhaltens untersucht.

In ihrer Studie führten Solet und Pandey diese Berechnungen durch, indem sie Wechselwirkungen zwischen Phononen und Merkmalen, einschließlich Gittergrenzen und Defekten, sowie anderen Phononen berücksichtigten. Dies ermöglichte es ihnen, sowohl die Wärmeausdehnung von ScAgC als auch die Wärmeleitfähigkeit seines Molekülgitters weitaus genauer abzuschätzen, als dies mit früheren Techniken möglich gewesen wäre.

Das Duo hofft, dass ihre Ergebnisse nun den Weg für neue Studien zu den phononbasierten Eigenschaften von SgAgC sowie anderen Materialien in der verwandten Familie der Heusler-Verbindungen ebnen. Mit der Möglichkeit, diese Eigenschaften anhand erster Prinzipien zu berechnen, könnten sie letztendlich noch weiter verbessert werden – was möglicherweise zu einer neuen Generation saubererer, energieeffizienterer Technologien führen würde, die auf fortschrittlichen thermoelektrischen Materialien und Solarzellen basieren.