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.