Термоэлектрические материалы, обладающие способностью преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот, уже давно изучаются на предмет их перспективности в различных технологических приложениях.
Недавно ученые из TU Wien провели исследование различных металлических сплавов и их термоэлектрических свойств. Результаты исследования, опубликованные в известном журнале Science Advances, показали, что особенно многообещающими характеристиками обладает смесь никеля и золота.
Концепция использования термоэлектрических материалов для получения электроэнергии не нова. Эти материалы уже несколько десятилетий используются в космических исследованиях для получения электрической энергии. Кроме того, они широко используются в бытовых приборах, например, в портативных холодильниках. Кроме того, существует возможность использования термоэлектрических материалов в промышленности для преобразования отработанного тепла в экологически чистую электроэнергию.
Термоэлектрический эффект основан на движении заряженных частиц от более горячей стороны материала к более холодной. Это движение создает электрическое напряжение, называемое термоэлектрическим напряжением, которое противодействует термически возбужденному движению носителей заряда.
Коэффициент Зеебека, названный в честь немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, является важным параметром, определяющим соотношение между термоэлектрическим напряжением и разностью температур. Он имеет решающее значение для определения термоэлектрических характеристик материала.
Металлы, несмотря на то, что они являются широко распространенными материалами, обычно не считаются подходящими для термоэлектрических приложений из-за низкого коэффициента Зеебека. Такие металлы, как медь, серебро и золото, обладают высокой электропроводностью, но не имеют необходимого дисбаланса между положительными и отрицательными зарядами для создания значительного термоэлектрического напряжения.
Физики из TU Wien совершили прорыв, обнаружив металлические сплавы, обладающие одновременно высокой проводимостью и необычайно большим коэффициентом Зеебека. При смешивании магнитного металла никеля с благородным металлом золотом электронные свойства сплавов существенно изменяются. При добавлении примерно 10% никеля к золоту термоэлектрические характеристики резко улучшаются.
Усиление эффекта Зеебека, наблюдаемое в сплавах никель-золото, объясняется энергозависимым рассеянием электронов. В отличие от полупроводниковых термоэлектриков, рассеяние положительных зарядов более выражено, чем отрицательных, что обусловлено уникальными электронными свойствами атомов никеля. Такой дисбаланс приводит к появлению высокого термоэлектрического напряжения, что делает эти сплавы перспективными кандидатами на создание эффективных термоэлектрических материалов.
Открытие сплавов никеля с золотом, обладающих исключительными термоэлектрическими свойствами, открывает новые возможности для различных технологических применений. Эти материалы могут быть использованы как в космических исследованиях для выработки электроэнергии, так и в бытовых устройствах, например, в портативных холодильниках. Кроме того, их способность преобразовывать отработанное тепло в экологически чистую электроэнергию делает их пригодными для использования в промышленности.
Фабиан Гармруди, первый автор исследования, поясняет: "Хотя термоэлектрический эффект в обычных металлах был открыт Зеебеком более 200 лет назад, в настоящее время металлы практически не рассматриваются в качестве термоэлектрических материалов, поскольку они обычно имеют очень низкий коэффициент Зеебека".
