Predicted High $n$-Type $zT$ and Ultralow Lattice Thermal Conductivity in A$_2$AgIrCl$_6$ (A = Cs, Rb)

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ कार के इंजन या कारखाने की भट्टी की बेकार ऊष्मा (waste heat) को पकड़कर सीधे बिजली में बदला जा सके, जिससे बिना किसी गतिशील पुर्जे के लाइट या उपकरणों को शक्ति मिल सके। यह थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का वादा है, जो पदार्थों का एक वर्ग है जो ठोस-अवस्था के परिवर्तकों (solid-state converters) के रूप में कार्य करते हैं, और तापमान के अंतर को विद्युत वोल्टेज में बदल देते हैं। इन सामग्रियों के बेहतर ढंग से काम करने के लिए, उन्हें एक कठिन संतुलन बनाए रखना होगा: उन्हें बिजली को आसानी से बहने देना चाहिए और साथ ही ऊष्मा के प्रवाह को रोकना चाहिए। यदि ऊष्मा बहुत स्वतंत्र रूप से चलती है, तो तापमान का अंतर समाप्त हो जाता है, और उपकरण काम करना बंद कर देता है। यदि बिजली नहीं चल सकती, तो कोई शक्ति उत्पन्न नहीं होती। एक ऐसा पदार्थ खोजना जो इस विरोधाभास में महारत हासिल कर सके, ऊर्जा विज्ञान की बड़ी चुनौतियों में से एक है।

शोधकर्ताओं ने मदद के लिए पेरोव्स्काइट्स (perovskites) नामक क्रिस्टल संरचनाओं के एक परिवार की ओर लंबे समय से देखा है। ये सामग्रियां, जो अक्सर धातुओं और क्लोरीन या आयोडीन जैसे हैलोजन से बनी होती हैं, बिजली संचालित करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध हैं, लेकिन वे आश्चर्यजनक रूप से ऊष्मा के खराब चालक भी मानी जाती हैं। यह संयोजन उन्हें ऊर्जा रूपांतरण के लिए आकर्षक उम्मीदवार बनाता है। हालांकि, इन सामग्रियों के कई सबसे प्रभावी संस्करणों में लेड (सीसा) होता है, जो एक जहरीला तत्व है और उनके व्यावहारिक उपयोग को सीमित करता है। वैज्ञानिक ऐसे लेड-मुक्त विकल्पों की तलाश कर रहे हैं जो कुशल विद्युत परिवहन की अनुमति देते हुए ऊष्मा-रोधी गुणों को बनाए रखें। हाल ही में एक अध्ययन में, भौतिकविदों की एक टीम ने अपना ध्यान दो विशिष्ट लेड-मुक्त क्रिस्टल की ओर लगाया: एक सीज़ियम (cesium) से बना और दूसरा रुबिडियम (rubidium) से, दोनों को सिल्वर, इरिडियम और क्लोरीन के साथ मिलाया गया है। शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने जांच की कि क्या ये सामग्रियां उच्च-प्रदर्शन वाले ऊर्जा उपकरणों के लिए आवश्यक उस मायावी संतुलन को प्राप्त कर सकती हैं।

शोधकर्ताओं ने इन दो क्रिस्टल, Cs2AgIrCl6 और Rb2AgIrCl6, के आणविक विन्यास और उनके जुड़ाव को समझने के लिए एक विस्तृत डिजिटल मॉडल बनाना शुरू किया। उन्होंने पुष्टि की कि दोनों संरचनाएं स्थिर हैं और अपने आंतरिक बलों के कारण ढहती नहीं हैं। बड़े सीज़ियम परमाणुओं को थोड़े छोटे रुबिडियम परमाणुओं से बदलकर, उन्होंने एक सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण परिवर्तन देखा: पूरा क्रिस्टल लैटिस लगभग 1.34 प्रतिशत सिकुड़ गया। इस संकुचन ने एक सौम्य रासायनिक दबाव की तरह कार्य किया, जिससे धातु और क्लोरीन परमाणुओं के बीच के बंधों को बिना क्रिस्टल के मूल आकार को बदले कस दिया गया। टीम ने पाया कि जबकि समग्र संरचना समान रही, परमाणुओं के कंपन का तरीका काफी बदल गया। ये कंपन मुख्य रूप से वह तरीका हैं जिससे ऊष्मा एक ठोस के माध्यम से चलती है, और सिमुलेशन ने दिखाया कि क्रिस्टल इस गति को धीमा करने में असाधारण रूप से अच्छे थे।

यह समझने के लिए कि इन सामग्रियों में बिजली कैसे व्यवहार करेगी, टीम ने उन पथों की जांच की जिनसे इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल के माध्यम से गुजरते हैं। उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन तीन अलग-अलग, समतुल्य पथों से यात्रा कर सकते हैं, जिससे उन्हें फंसने के बिना तेजी से बढ़ने में मदद मिलती है। इसके विपरीत, "होल्स" (इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति जो एक सकारात्मक आवेश के रूप में कार्य करती है) बहुत भारी थे और सुस्त गति से चलते थे। इस अंतर का अर्थ था कि ये सामग्रियां नकारात्मक आवेशों, या इलेक्ट्रॉनों को ले जाने के लिए डिज़ाइन की गई हों, तो बेहतर काम करेंगी, न कि सकारात्मक आवेशों के लिए। शोधकर्ताओं ने गणना की कि एक विशिष्ट स्तर के इलेक्ट्रिकल डोपिंग (केवल अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों की सही मात्रा जोड़ने) पर, सामग्रियां उल्लेखनीय दक्षता प्राप्त कर सकती हैं। 800 केल्विन के तापमान पर, सीज़ियम-आधारित सामग्री ने एक अनुमानित दक्षता स्कोर, जिसे zT कहा जाता है, 2.81 दिखाया, जबकि रुबिडियम संस्करण ने 2.36 तक पहुँच प्राप्त की। ये संख्याएं वर्तमान वाणिज्यिक थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों में आमतौर पर पाए जाने वाले स्तर से काफी अधिक हैं।

इस उच्च प्रदर्शन का रहस्य इन क्रिस्टल में पाई जाने वाली गुणों के अनूठे संयोजन में निहित है। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि इन सामग्रियों में ऊष्मा संचालित करने की क्षमता बहुत कम है, जिसका मान उच्च तापमान पर 0.118 वॉट प्रति मीटर-केल्विन जितना कम हो जाता है। यह कांच में पाई जाने वाली कम ऊष्मा चालकता के तुल्य है, फिर भी इन सामग्रियों ने बिजली को उचित सहजता के साथ बहने दिया। कम ऊष्मा प्रवाह क्रिस्टल ढांचे की कोमल, लचीली प्रकृति द्वारा संचालित था, जिसने कंपन को दूर तक ऊष्मा ले जाने से पहले बिखरने और एक-दूसरे को रद्द करने की अनुमति दी। इस बीच, इलेक्ट्रॉनिक संरचना ने इलेक्ट्रॉनों के चलने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान किया, विशेष रूप से तब जब सामग्री को चार्ज वाहकों की इष्टतम सांद्रता के लिए ट्यून किया गया था। अध्ययन में यह भी नोट किया गया कि स्थिर और गतिशील इलेक्ट्रॉनों के बीच का ऊर्जा अंतराल इतना बड़ा था कि यह अवांछित ऊष्मा-प्रेरित धाराओं को रोक सके जो आमतौर पर उच्च तापमान पर प्रदर्शन को कम करती हैं।

इन आशाजनक परिणामों के बावजूद, लेखक इस बात पर जोर देने में सावधानी बरतते हैं कि ये निष्कर्ष वर्तमान में सैद्धांतिक हैं। संख्याएं जटिल कंप्यूटर मॉडल के माध्यम से उत्पन्न की गई थीं जिन्होंने यह भी ध्यान में रखा कि इलेक्ट्रॉन अशुद्धियों और कंपनों से कैसे बिखरते हैं, लेकिन इन सामग्रियों का अभी तक प्रयोगशाला में इन विशिष्ट स्थितियों के तहत संश्लेषण और परीक्षण नहीं किया गया है। शोधकर्ता बताते हैं कि एक वास्तविक उपकरण बनाने के लिए केवल सही क्रिस्टल संरचना की ही आवश्यकता नहीं होती; इसके लिए दोषों को पेश किए बिना इलेक्ट्रॉनों की संख्या को सटीक रूप से नियंत्रित करने की क्षमता की आवश्यकता होती है। वे यह भी नोट करते हैं कि लंबे समय तक उच्च तापमान पर इन क्रिस्टल की स्थिरता को प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित करने की आवश्यकता है। यह अध्ययन एक रोडमैप के रूप में कार्य करता है, जो दो विशिष्ट यौगिकों की पहचान करता है जो प्रयोगशाला में प्रयास करने योग्य हैं। यदि वैज्ञानिक इन क्रिस्टल को सफलतापूर्वक उगा सकते हैं और उनके विद्युत गुणों को सूक्ष्म रूप से ट्यून कर सकते हैं, तो वे स्वच्छ ऊर्जा परिवर्तकों के एक नए वर्ग को अनलॉक कर सकते हैं जो बेकार ऊष्मा को उपयोगी शक्ति में बदलने में सक्षम हैं।