پژوهشگران یک روش جدید برای تبدیل گرما به برق با استفاده از دی‌سیلید تنگستن (WSi2) ارائه کرده‌اند که قابلیت بهبود کارایی دستگاه‌های ترموالکتریک را نشان می‌دهد. این فناوری می‌تواند بهره‌وری انرژی را در کاربردهای مختلف متحول کند.
مواد ترموالکتریک که گرما را به برق تبدیل می‌کنند، نقشی حیاتی در جذب گرمای هدررفته و تبدیل آن به انرژی قابل استفاده دارند. این مواد به‌ویژه در صنایع و وسایل نقلیه‌ای که موتورهای آن‌ها گرمای زیادی تولید می‌کنند، سودمند هستند و با تولید برق اضافی، بهره‌وری انرژی را افزایش می‌دهند. همچنین، این مواد برای کاربردهای انرژی قابل‌حمل، مانند حسگرهای دورافتاده و ماهواره‌هایی که منابع انرژی سنتی ممکن است برایشان عملی نباشند، امیدوارکننده هستند.
بررسی دستگاه‌های ترموالکتریک متقاطع
دستگاه‌های ترموالکتریک سنتی که به نام دستگاه‌های ترموالکتریک موازی شناخته می‌شوند، ولتاژ را در همان جهتی تولید می‌کنند که جریان گرما حرکت می‌کند. این دستگاه‌ها به دو نوع ماده موازی، نوع p و نوع n، متکی هستند که ولتاژهایی در جهت‌های مخالف تولید می‌کنند. هنگامی که این مواد به صورت سری به هم متصل می‌شوند، ولتاژ قوی‌تری ایجاد خواهند کرد، اما این پیکربندی تعداد نقاط تماس را افزایش داده و منجر به مقاومت الکتریکی بیشتر و اتلاف انرژی می‌شود.
در مقابل، دستگاه‌های ترموالکتریک متقاطع، برق را عمود بر جریان گرما تولید کرده و یک مزیت متمایز ارائه می‌دهند. این دستگاه‌ها با تعداد نقاط تماس کمتر، امکان تبدیل انرژی با کارایی بالاتر را فراهم می‌کنند. یک کلاس امیدوارکننده از مواد برای این دستگاه‌ها شامل موادی با رسانایی قطبی وابسته به محور (ADCP) است که به نام رساناهای گونیوپولار نیز شناخته می‌شوند. این مواد بارهای مثبت (p-type) را در یک جهت و بارهای منفی (n-type) را در جهتی دیگر هدایت می‌کنند. با این حال، علی‌رغم پتانسیل این مواد، اثر ترموالکتریک متقاطع (TTE) تاکنون کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.
پیشرفت در تبدیل ترموالکتریک متقاطع
در این راستا، تیمی از پژوهشگران ژاپنی به سرپرستی پروفسور ریوچی اوکازاکی از دپارتمان فیزیک و نجوم دانشگاه علوم توکیو (TUS)، به همراه شویا اوسومی از TUS و یوشیکی جی. ساتو از دانشگاه سایتاما، به تولید TTE در نیمه‌فلز WSi2 دست یافتند. اگرچه مطالعات قبلی نشان داده بودند که WSi2 خاصیت ADCP دارد، اما منشأ این خاصیت و اثر TTE پیش‌بینی‌شده آن در آزمایش‌ها مشاهده نشده بود.
پروفسور اوکازاکی توضیح می‌دهد:
تبدیل ترموالکتریک متقاطع پدیده‌ای است که به‌عنوان یک فناوری اصلی جدید برای حسگرهای قادر به اندازه‌گیری دما و جریان گرما در حال جلب توجه است. با این حال، تعداد مواد مشابه بسیار محدود است و هنوز دستورالعمل‌هایی برای طراحی آن‌ها ارائه نشده است. این تحقیق اولین نمایش مستقیم از تبدیل ترموالکتریک متقاطع در WSi2 است.
مطالعه آن‌ها در تاریخ 13 نوامبر 2024 در مجله PRX Energy منتشر شده است.
یافته‌هایی از مطالعه دی‌سیلید تنگستن
پژوهشگران با ترکیبی از آزمایش‌های فیزیکی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، ویژگی‌های WSi2 را تحلیل کردند. آن‌ها ترموالکتریسیته، مقاومت الکتریکی و رسانایی گرمایی یک کریستال منفرد WSi2 را در طول دو محور بلوری در دماهای پایین اندازه‌گیری کردند. آن‌ها دریافتند که خاصیت ADCP در WSi2 از ساختار الکترونیکی منحصربه‌فرد آن ناشی می‌شود که دارای سطوح فرمی با ابعاد ترکیبی است. این ساختار نشان می‌دهد که الکترون‌ها و حفره‌ها (حامل‌های بار مثبت) در ابعاد مختلف وجود دارند.
سطح فرمی یک سطح هندسی نظری است که حالات الکترونیکی اشغال‌شده و اشغال‌نشده حامل‌های بار درون یک ماده جامد را جدا می‌کند. در WSi2، الکترون‌ها سطوح فرمی شبه‌یک‌بعدی تشکیل می‌دهند، در حالی که حفره‌ها سطوح فرمی شبه‌دوبعدی ایجاد می‌کنند. این سطوح فرمی منحصربه‌فرد رسانایی جهت‌محور ایجاد کرده و اثر TTE را ممکن می‌سازند.
پژوهشگران همچنین مشاهده کردند که نحوه هدایت این حامل‌های بار از یک نمونه به نمونه دیگر متفاوت است که با مطالعات قبلی سازگار بود. آن‌ها با استفاده از شبیه‌سازی‌هایی بر اساس اصول اولیه نشان دادند که این تفاوت‌ها ناشی از نحوه پراکندگی حامل‌های بار به دلیل نقص‌های موجود در ساختار بلوری WSi2 است. این بینش برای تنظیم دقیق این ماده و توسعه دستگاه‌های ترموالکتریک قابل اعتماد بسیار مهم است. علاوه بر این، آن‌ها تولید مستقیم TTE در WSi2 را با اعمال اختلاف دما در یک زاویه خاص نسبت به هر دو محور بلوری نشان دادند، که منجر به ایجاد ولتاژی عمود بر اختلاف دما شد.
پروفسور اوکازاکی می‌گوید:
یافته‌های ما نشان می‌دهد که WSi2 یک گزینه امیدوارکننده برای دستگاه‌های مبتنی بر TTE است. امیدواریم این پژوهش به توسعه حسگرهای جدید و کشف مواد ترموالکتریک متقاطع جدید منجر شود.
با روشن‌کردن مکانیسم تولید TTE در WSi2، این مطالعه گامی به سوی مواد پیشرفته‌ای است که می‌توانند گرما را به برق با کارایی بیشتری تبدیل کنند و به آینده‌ای سبزتر کمک کنند.
منبع: Scitechdaily
