化石燃料は熱を発生させることで現代社会を動かしていますが、その熱の多くは無駄になっています。研究者たちは、熱を電力に変換する熱電素子と呼ばれる半導体デバイスを使って、その一部を取り戻そうと試みてきました。しかし、それらは非効率的で費用がかかりすぎて、一握りのニッチなアプリケーション以外では役に立たないままです.
現在、イリノイ州の科学者は、安価でよく知られている材料を使用して、これまでで最も熱を必要とする熱電を作成したと報告しています。その過程で、研究者たちは、材料を広範な用途に必要な効率に押し上げることができる貴重な教訓を学んだと言います.それが実現すれば、熱電素子はいつの日か自動車に電力を供給し、無数のエンジン、ボイラー、発電所からエネルギーを回収できるようになるでしょう。
熱電素子は、奇妙で有用な特性を持つ半導体のスラブです。熱電素子の片側を加熱すると、電流を駆動してデバイスに電力を供給するために使用できる電圧が生成されます。その電圧を得るには、熱電素子は良好な電気伝導体である必要がありますが、熱伝導率が低く、効果が損なわれます。残念ながら、材料の電気伝導率と熱伝導率は密接に関連する傾向があるため、熱電効率の高い材料を作成することは困難であることが証明されています。これは、科学者が記号 ZT で表す特性です。
数年前、イリノイ州エバンストンにあるノースウェスタン大学の化学者である Mercouri Kanatzidis が率いる研究者は、ZT 値が 2.2 のテルル化鉛 (PbTe) と呼ばれる印象的な新しい熱電材料を発見しました。これは、ほとんどの研究者が広範なアプリケーションの最小値と見なしている ZT の 3 にかなり近かった.
興味をそそられた Kanatzidis と彼の同僚は、PbTe の化学的類縁種のテストを開始しました。 1 つは、セレン化スズ (SnSe) と呼ばれる光沢のある銀色の物質でした。数十年前、研究者は、熱電として試す価値があるには電気伝導体が貧弱すぎることを発見していました.しかし、スズと鉛は周期表の同じグループに属し、テルルとセレンはどちらも別のグループのメンバーです. 「私たちが探求したかったのは好奇心でした」と Kanatzidis 氏は言います。
そこで、ノースウェスタン大学とミシガン大学アナーバー校の Kanatzidis と同僚は、セレン化スズをもう一度調べることにしました。研究者たちは、SnSe の弾丸サイズのサンプルを合成し、a 軸、b 軸、c 軸として知られる結晶の原子面の 3 つの異なる方向に沿ってその断片を切断しました。これは、材料の特性を分析するための標準的な手法です。次に、広い温度範囲にわたる各サンプルの熱伝導率と電気伝導率をグラフ化しました。 b 軸サンプルは、予想よりも優れた電気伝導率と非常に低い熱伝導率を備えていることが判明しました。これらの特性により、材料の ZT は 2.6 となり、これまでに測定された中で最高の値となりました。 Kanatzidis によると、超低熱伝導率の鍵は、アコーディオンのように見える、材料中のスズ原子とセレン原子のプリーツ配列にあるようです。このパターンは、フォノンと呼ばれる熱伝達振動が当たったときに原子が曲がるのを助けているようで、SbSe の熱伝導能力を弱めているようです。研究者は本日 Nature で結果を報告します .
「私は驚いています」と、オハイオ州立大学コロンバス校の物理学者ジョセフ・ヘレマンズは言う。 「これはこの分野にとって素晴らしい結果です。」ヘレマンス氏によると、ZT が 3 の熱電変換への大きな一歩を踏み出すだけでなく、この新しい材料はそこに到達する方法についての教訓を提供してくれます。最も可能性が高いのは、研究者は、主要なアコーディオンのような原子配置を維持しながら、微量の「ドーパント」原子を半導体にスパイクすることによって、半導体の電気伝導率を高めようとするだろうと彼は言う.誰かが高 ZT 材料の製造に成功した場合、内燃エンジンが車に動力を供給するのではなく、熱電デバイスが電気に変換して動力を供給する熱を生成する、より安価な新しいハイブリッド車エンジンにつながる可能性があると、Heremans 氏は言います。電気モーター。今のところ、それはまだ将来のビジョンです。しかし、これまで以上に近くに表示されるようになりました。
