מבוא לחומרים ה-Thermoelectric

(החומרים המשתנים) הופכים את הטמפרטורה למתח ישירות לתפקוד של אפקט ה-Seebeck, ובאופן כללי, הם יכולים לשאוב חום חיוני כאשר זרם חשמלי משופר הוא מיושם.יכולות של אנרגיה מוצקה זו הופכת אותם אטרקטיביים להחלמה של חום פסולת, קירור נייד ומבנה כוח עמוק בחלל (Ricumalfite) של חומר מכני נמוך (Ricamsp2F) אך הוא בעל השפעה נמוכה של חומר מכנית:2F2 (R.

טכניקת מודלים מכניים קוונטית

חישובים ראשונים המבוססים על מכניקת הקוונטים מאפשרים לחוקרים לחזות תכונות אלקטרוניות, רטט והובלת חומרים ללא התאמה אמפירית.הגישה הנפוצה ביותר היא תורת פונקציונליות צפיפות (DFT), אשר מאזן דיוק ועלויות חישוביות. עם זאת, עבור חומרים תרמואלקטריים עם מבנים אלקטרוניים מורכבים - כגון פערים צרים, אלמנטים כבדים, או מתאם אלקטרוני חזק - שיטות מתקדמות יותר נדרשים לעתים קרובות טכניקות אלה יכול לחשוף את המבנה האלקטרוני של אסטרטגיות עיצוביות.

תורת תפקוד הכחשה (DFT)

DFT פותר את משוואה האלקטרוניקה של רבים-אלקטרונית של מיפוי זה למערך של משוואות חלקיקים יחיד (Kohn-Sham משוואות) באמצעות פונקציונליות של החלפת-החלל.עבור חומרים תרמואלקטריים, DFT הוא מועסק באופן שגרתי כדי למקם את הפערים האלקטרוניים, צפיפות של מדינות (DOS), ואוכלוסיית ההלייטל (COHP).

Beyond DFT: גישות מתקדמות

בעוד DFT מספק נקודת התחלה טובה, המגבלות שלה להיות גלוי במערכות עם אינטראקציות אלקטרוניות חזקות או איפה אנרגיות חלקיקים הדרושים עבור קורקפיטים מדויקים תחבורה.התאמת GW (תפקוד של גרין See G ומסך יכולות לספק דיוקים חשמליים רבים (Holomb אינטראקציה Wem>) מתקן את הפער והפיזור על ידי שילוב של השפעות אנרגיה עצמית כגון החלפת תאים חשמליים עם חלקיקים גמישים.

תכונות אלקטרוניות מפתח ממודל

סימולציות מכניות קוונטיות ממציינות סט של תיאוריים אלקטרוניים המחברים ישירות לביצועים תרמואלקטריים.הבנה כיצד כל אחד מהתיאורים עולה מהמבנה האטומי והאלקטרוני מאפשר לחוקרים למסך ולייעל חומרים חישוביים לפני הסינתזה הניסויית.

Band Gap and Prore

פער הלהקה קובע את טווח הטמפרטורה התפעולי: מוליכים למחצה צרים (0.1-0.5 eV) הם בדרך כלל אופטימליים עבור החדר-temperature ליישומים לטווח בינוני.DFT ו- GW חישובים יכולים לחזות את הפער עם דיוק סביר.המון יעיל (FLT:0m*FLT:1) של אלקטרונים וחורים ליד הלהקות לשלוט על התנהגות חשמלית: מובילי תנועה גבוהה יותר, אך לעתים קרובות מסגסוגת כוח סגסוגת אופטית יכול להפחית את הפחתת כוח סגסוגת גבוהה יותר.

הכחשת מדינות ו-Seebeck Coefficient

(ה) ⁇ (ה-) ⁇ (ה) ⁇ (ה) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עיצוב חומרים חדשים Thermoelectric Materials

על ידי תובנות מכניות קוונטיות, החוקרים זיהו כמה משפחות של thermoelectrics מבטיח.האסטרטגיה העיצובית המשותפת היא להשיג "דלפקון-ג'ק, מערכת אלקטרו-קריסטל": מוליכות חשמלית גבוהה אופיינית לחומר גבישי בשילוב עם מוליכות תרמית נמוכה מאוד של צמיגים נמוך מאוד אופיינית של זכוכית.קודם-עקרונות ראשוניים עזרה כדי לגלות חומרים כאלה על ידי סינון עבור להקות אלקטרוניות כי הם גם עבור תפיסה מתקדמת (בצורה ידועה) כמו "מחדשה" (בצורה מהירה), כמו פיזור מהיר).

  • (FLT:0) חומרים מעובדים: FLT:1 , קומפלקסים כמו B2Te3, SnSe, ו- GeSe יש אג"ח חלש של ואן דר ואג'לים בין שכבות, אשר למעשה מתפזרים פוני חום תוך שמירה על תחבורה אלקטרונית טובה במטוס.DFT מחקרים הראו כי המבנה האלקטרוני של חומרים אלה תכונות מרובות עמקים ושפע גדול, מועיל לביצועים חשמליים.
  • (FLT:0)Complex chalcogenides:FreaLT:1 חומרים כגון AgSbTe2, Cu2Se, ו ⁇ s מבוסס PbTe מציג מוליכות תרמית נמוכה בשל הפרעה פנימית או נוזל כמו ניידות של cations. Quantum מכני מודלing גילה כי resonant מדינות ליד רמת פרמי ב PbTe doped עם ® עם ®trinsic או ® tertexertexertexertexertexertexertexertexertexertexertexertexertexertexertexertexertifertexertexertupal מאשר , לעומת מה הוא , לעומת , לעומת , לעומת , לעומת מה צפוי לעשות עם ה-uptuptuptupal tertextuptupal tuptuptuptupal tuptexituptupitupitupituptuptuptifertifertupal מאשר , כמו ניידות דומה ניידות של cations.
  • (FLT:0) ,Clathrates ו- כלוב תרכובות:FreaLT:1 בקלדות כמו Ba8Ga16Si30, אטומי אורח "מעגל" בתוך כלובים גדולים, פיזור פוני ללא מפריע להתנהלות האלקטרונית של המסגרת המארחת.DFT צופה כי אופטימיזציה בגודל הכלוב ואינטראקציה אורח יכול להפחית התנהגות תרמית לרמות כמעט-amorphous תוך שמירה על תחבורה למחצה.
  • (FLT:0 סגסוגת Heusler: ⁇ ⁇ :0) תרכובות בין-מטאליות אלה (למשל, MNiSn, MCoSb שבו M= Ti, Zr, Hf) מציעים יציבות מכנית גבוהה ו מוליכות חשמלית טובה.- ראשית-principles סקר של אלפי יצירות חצי-Heuslersilssssssb אפשריות זיהה מועמדים חדשים עם כוח משופר, לעתים קרובות על ידי החלפת אלמנטים אלקטרו-מדומים למניעה חזק יותר, על ידי החלפת חומרים אלקטרו-מולקוליביים כבדים.
  • (FLT:0) חומרים בעלי יציבות גבוהה וגבוהים: FLT:1 עבודה חדשה על ⁇ נטיות גבוהה קרמיקה ממנף הפרעה אטומית כדי להפחית את מוליכות תרמית LITT.DFT בשילוב עם שיטות הרחבה של אשכול יכול להעריך את ההשפעה של הפרעה על להקות אלקטרוניות וחיזוי יצירות שבו ההפרעה אינה משפיעה באופן חמור על תחבורה.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות משמעותית, כמה אתגרים נותרו.ל חישובים למבנה אלקטרוני של חומרים תרמואלקטריים ריאליים חייבים לקחת בחשבון את ההפרעה האטומית, פגמים, nanoscale structuring - כולם משפיעים הן על תכונות אלקטרוניות ורטטיות.מערכות מאופיינות מודלים דורשות תאים גדולים או מבנים מיוחדים quasidom (SQS) כדי ללכוד את הקונפיגורציה התצורהית ואת הווריאציות המקומיות.

אתגר נוסף הוא בחיזוי מדויק של מתודולוגיה תרמית ⁇ ph. בעוד דינמיקת ⁇ מבוססת DFT (למשל, באמצעות phonon Boltzmann תחבורה משוואה) יכול לתת אמין ph עבור גבישים הורה, polycrystalline ו חומרים nanostructured להציג מנגנונים נוספים פיזור (גבולות חמורים, מומים נקודה, ננוטרופיט) כי הם קשים לדגימה יעילה על ידי קרינה בינונית או חומרים ממתכת יעילה.

במבט קדימה, השילוב של מודלים מכניים קוונטיים עם בדיקות חישוביות גבוהה ולמידה מכונה הוא מאיץ את התגלית של חומרים תרמואלקטריים חדשים.מאגרי נתונים כגון פרויקט החומרים, OQMD, ו- AFLOW מכילים מיליוני נכסים מקובצים; הפיכה אלה עם חישובים חיזוי עבור FLT:0ZTFLT:1 יכול לצמצם את המועמדים לניסויים ניסיוניים.

אימות ניסיוני נשאר חיוני.בטכניקות situ או אופרהנדו, כגון סינכרן X-ray diffraction ו מדידות תחבורה תחת לחץ, יכול לספק משוב לחדד מודלים חישוביים.שלב מודלים מכניים קוונטיים עם סינתזה ניסיונית ואפיון יוצר לולאה חזקה עבור חומרים גילוי.

מסקנה

מודלים מכניים קוונטיים התפתחו מכלי משלים אל אבן הפינה של מחקר חומרים תרמואלקטריים. על ידי מתן הבנה מפורטת ברמת אטומית של מבנה אלקטרוני, DFT ומתקדמים מעבר DFT שיטות מאפשרות לחוקרים לזהות מפיץ מפתח, תרכובות חדשות מסך וחומרים מהנדס עם ביצועים אופטימיזציה.על התפתחויות מתקדמות דיוק, כוח חישובי וגישות מונחות נתונים כדי להאיץ עוד את העיצוב של חומרים תרמואלקטריים לאנרגיה בת קיימא, כמו הפרעות הפעלה וחדשנות קוונטית, כמו גם את הניטרינרית זה להמשיך סימולציה מתקדמת.

(ב) ◄ .

  • (ב) עיין: התפתחויות אחרונות בחומרים תרמואלקטריים (חומרי הטבע)
  • (ב) שיטות של ההרחבה (FLT:0)Ab Initio (בשיתוף של הפיזיקה המודרנית)
  • פרויקט ההרחבה (FLT:0)Materials Project - מאגר נתונים פתוח של חומרים מקודמים
  • (ב) עיין בחומרים תרמואלקטריים באמצעות למידת מכונה (חומרי תגמול)