9月7日2020年
由材料科学家解开的原子机制亚博网站下载杜克大学确保特定的热电材料接近高温相变非常有效。亚博网站下载
用中子散射测量的硫化锡晶体加热时原子晶格振荡波的演化。图片来源:杜克大学Delaire集团的Tyson Lanigan-Atkins。
该数据将有助于科学家填补了热电材料计算建模中存在的至关重要的知识差距，可能使它们能够识别依赖于将热量转换为电力的技术的新的和更改进的选择。亚博网站下载
研究结果在线出现在线自然通信9月4日的期刊TH.2020年。
在热电材料中，电子从热的一面到冷的一亚博网站下载面的运动通常使热变成电。由于需要在材料的两侧提供一个温度变化，科学家们热衷于以热能的形式回收在发电厂中损失的能量，或者利用这些材料从汽车排气管产生的热量来发电。亚博网站下载
在过去的两年中，称为锡硒化物的新出现的材料以及称为硫化锡的姐妹化合物有助于为热电效率设定新的记录。虽然硫化物版本不如
热电版本，它正在提高，因为它更具成本效益和生态友好。
虽然调查人员已经知道这两种化合物是特殊的热电材料，但它们不知道这背后的确切原因。亚博网站下载在最新分析中，来自杜克大学的机械工程和材料科学副教授的奥利维尔·倍尔（Dyke University）以及他的几位研究生泰森林根 - 阿特金斯和山阳试图略微关闭知识差距。亚博网站下载亚博老虎机网登录
我们想明白为什么这些材料具有如此低的导热率，这有助于使得它们所熟知的强热电性能。亚博网站下载使用中子散射测量和计算机模拟的强大组合，我们发现它与高温材料的原子振动有关，没有人以前见过。
杜克大学机械工程与材料科学副教授Olivier Delaire亚博网站下载亚博老虎机网登录
已知低导热率是任何优异的热电材料的必要成分。但是通常需要在这种材料的两侧之间的热差异来产生电力。因此，假设防止热量蔓延的材料是有意义的，这将表现得很好。亚博网站下载
Delaire和Lanigan-Atkins随后将样品与橡木岭国家实验室的高磁通同位素反应器一起去，以可视化硫化锡的持续原子振动。当研究人员从硫化锡原子中脱离中子并识别它们最终最终的位置，它们能够建立原子的位置以及它们如何在晶体的晶格中共同振动。
在橡树岭国家实验室，设施专门适合手头的工作。由于硫化锡的原子振动相对较慢，因此该团队需要低能量的“冷”中子，以足够脆弱以便可视化它们。橡树岭国家实验室拥有世界上最好的冷中子仪器。
我们发现硫化锡有效地具有一定的振动模式非常“软盘”。并且其属性与其晶格中的固有不稳定性相连。
杜克大学机械工程与材料科学副教授Olivier Delaire亚博网站下载亚博老虎机网登录
较低温度下的硫化物作为层状材料存在，其具有抗扭的硫化物网格和锡彼此的旋状物，类似于手风琴的瓦楞。然而，在接近其相变点的温度下为980°F - 热电发电机通常功能的温度 - 扭曲设置开始崩解。
仿佛魔术，两层再次变得不变，更对称，并且在这个时刻，“萧条”发挥作用。
由于硫化锡材料在增加温度下的两个结构布置之间的杆状物，因此其原子停止在一起振动，类似于良好的吉他串，而是变得横向阻尼。
为了更好地解释这一现象，人们可以将一辆受到巨大冲击的汽车想象成一种谐波振动——也就是说，在经过最轻微的碰撞后，它将继续反弹很长时间。然而，这种振动将被适当的冲击所抑制，使它非谐并防止它在很长一段时间内振荡。
热波通过材料中的原子振动行进。因此，当硫化锡中的原子振动变得软盘时，它们不会非常快速地传播振动，并且它们也不会振动很长。这是它阻止在它内部旅行的热量的根本原因。
杜克大学机械工程与材料科学副教授Olivier Delaire亚博网站下载亚博老虎机网登录
武装这些结果，Delaire和Yang随后试图计算地验证和解码它们。杨先生在劳伦斯伯克利国家实验室使用超级计算机，并有效地重现了在提高温度下相同的厌声效应。
除了证实实验中观察到的东西之外，这种更新的模型将允许科学家们进一步寻找新的热电材料，用于即将到来的技术，增加的Delaire。亚博网站下载
“该领域的研究人员尚未考虑对热传播速度的强烈温度依赖性，并且该建模显示可变的变量有多重要。采用这些结果和其他理论前进将使材料科学家更容易预测其他良好的热电材料亚博网站下载，“Delaire总结道。
能源部（DE-SC0019299，DE-SC001666）资助了这项研究。
期刊参考：
Lanigan-Atkins，T.，等。（2020）在SNS和SNSE中扩展了声子分散体的Anharmonic崩溃。自然通信。doi.org/10.1038/s41467-020-18121-4。
来源:https://pratt.duke.edu/