Атомная «гармошка» — причина эффективности нового термоэлектрика

Термоэлектрические материалы, которые преобразуют температурный градиент в электричество и наоборот, способны предотвратить утечку части энергии, теряемой механизмами и электронными устройствами в виде тепла, и сделать их более эффективными. Для того чтобы поддерживать температурный градиент эти материалы, будучи хорошими проводниками электричества должны плохо проводить тепло. В прошлом году сотрудники Северо-Западного университета обнаружили, что лучшим в мире термоэлектрическим материалом является недорогой селенид олова.

Коллектив ORNL (Oak Ridge National Laboratory) опубликовал в Nature Physics результаты исследования фундаментальных основ атомной динамики селенида олова. Первые комплексные измерения атомных вибраций (фононов) в этом материале, выполненные посредством компьютерных симуляций и анализа рассеяния нейтронов, позволили авторам установить происхождение его необычно низкой теплопроводности. Выяснилось, что перераспределение электронных облаков приводит к нестабильности атомной решётки и «замораживает» фононы, помогая предотвратить утечки тепла и вывести его преобразование в электричество на максимальный уровень.

В гармонической системе волны атомных вибраций распространяются свободно, перенося в материале тепло без взаимодействия между собой. Напротив, в ангармонической системе фононы испытывают вязкое трение, в результате чего возникают участки, гасящие колебания и блокирующие передачу тепла.

Селенид олова при температуре тестирования проявлял сильную ангармоничность. Симуляции квантовой динамики, выполненные на суперкомпьютере Cray XC30, продемонстрировали, что причиной ангармоничности является нестабильность связей. Ниже границы фазового перехода (540 °C) происходила спонтанная реорганизация электронных орбиталей и решётка приобретала структуру гармошки. Фононы ощущают эту нестабильность как вязкое сопротивление их движению, что и делает селенид олова столь замечательным термоэлектриком.

Полученное авторами понимание, по их мнению, будет способствовать улучшению контроля за распространением тепла в широком круге технологий, включая покрытия тепловых барьеров, ядерное топливо и мощную электронику.