اولین در جهان: دانشمندان گرما را به برق تبدیل می کنند با استفاده از تنگستن دی سیلید

دانشمندان روشی نوین برای تبدیل گرما به برق با استفاده از تنگستن دی سیلید (WSi2) توسعه داده‌اند.

این دستاورد که توسط پژوهشگران دانشگاه علم توکیو حاصل شده، اولین نمایش تبدیل ترموالکتریک عرضی در WSi2 را نشان می‌دهد و راه را برای دستگاه‌های ترموالکتریک کارآمدتر هموار می‌کند.

تیم تحقیقاتی به رهبری دکتر ریوژی اوکازاکی از بخش فیزیک و ستاره‌شناسی دانشگاه علم توکیو، دریافت که WSi2 یک کاندید امیدوارکننده برای دستگاه‌های مبتنی بر اثر ترموالکتریک عرضی (TTE) است.

تبدیل ترموالکتریک عرضی

پروفسور اوکازاکی گفت: «تبدیل ترموالکتریک عرضی پدیده‌ای است که به عنوان یک فناوری اصلی جدید برای سنسورهایی که قادر به اندازه‌گیری دما و جریان گرما هستند، توجه‌ها را به خود جلب کرده است. اما فقط تعداد کمی از چنین مواد وجود دارند و هیچ گونه دستورالعمل طراحی برای آن‌ها وضعیت نگرفته است. این اولین نمایش مستقیم از تبدیل ترموالکتریک عرضی در WSi2 است.» این مطالعه که در مجله PRX Energy منتشر شده، شامل انجام مطالعات تجربی و محاسباتی در مورد خواص انتقال کریستال‌های تکی WSi2 است.

آزمایش‌های فیزیکی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری

محققان ویژگی‌های WSi2 را از طریق ترکیبی از آزمایش‌های فیزیکی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. آنها ترموپاور، مقاومت الکتریکی و رسانایی حرارتی یک کریستال تک WSi2 را در طول دو محور کریستالوگرافی آن در دماهای پایین اندازه‌گیری کردند.

یافته‌های آنها نشان داد که قطبیت رسانایی وابسته به محور (ADCP) در WSi2 ناشی از ساختار الکترونیکی منحصربه‌فرد آن است که دارای سطوح فرمی مخلوط بعدی است. این ساختار نشان‌دهنده وجود الکترون‌ها و حفره‌ها (حامل‌های بار مثبت) در ابعاد مختلف است. در WSi2، الکترون‌ها سطوح فرمی تقریباً یک بعدی و حفره‌ها سطوح فرمی تقریباً دو بعدی تشکیل می‌دهند. این سطوح فرمی منحصر به فرد منجر به رسانایی خاص جهت می‌شوند که اثر ترموالکتریک عرضی را امکان‌پذیر می‌سازد.

برای نشان دادن اثر ترموالکتریک عرضی، پژوهشگران یک گرادیان دما را در زاویه 45 درجه نسبت به محور کریستالوگرافی اعمال کردند.

محققان خواص انتقال وابسته به نمونه را مشاهده کردند که در مطالعات قبلی نیز مشاهده شده است و همراه با محاسبات اصول اولیه نشان می‌دهد که چنین خواص انتقال وابسته به نمونه ناشی از نرخ‌های پراکندگی وابسته به باند حامل‌ها هستند.

رسانایی پلتیر محاسبه شده بر اساس باندها نشان‌دهنده این است که ساختار الکترونیکی مختلط، که شامل سطح فرمی الکترونی تقریباً یک بعدی و سطح حفره‌ای تقریباً دو بعدی است، یک ویژگی کلیدی برای قطبیت رسانایی وابسته به محور است. به گفته مطالعه.

حامل‌های بار

در این مطالعه، پژوهشگران اشاره کردند که نوساناتی در نحوه رسانایی برق این حامل‌های بار مشاهده کردند که با مطالعات قبلی سازگار است.

با استفاده از شبیه‌سازی‌های مبتنی بر اصول اولیه، پژوهشگران نشان دادند که این نوسانات ناشی از تفاوت در نحوه پراکندگی حامل‌های بار به دلیل نواقص در ساختار شبکه کریستالی WSi2 است.

این بینش کلید تنظیم دقیق ماده و توسعه دستگاه‌های ترموالکتریک قابل اعتماد است. علاوه بر این، آنها تولید مستقیم TTE را در WSi2 با اعمال یک اختلاف دما در زاویه خاص نسبت به هر دو محور کریستالوگرافی نشان دادند که منجر به یک ولتاژ عمودی نسبت به اختلاف دما شد، به گفته مطالعه.