Breaking the Wiedemann-Franz limit in thermoelectrics via separated flat bands

Eeuwenlang hebben wetenschappers begrepen dat in de meeste metalen elektriciteit en warmte samen reizen als onscheidbare tweelingen. Wanneer elektronen bewegen om een elektrische stroom te dragen, dragen ze ook thermische energie over, waardoor het bijna onmogelijk is om elektriciteit te geleiden zonder ook warmte te geleiden. Deze relatie, bekend als de wet van Wiedemann-Franz, wordt al lang gezien als een fundamentele natuurwet die de efficiëntie waarmee we restwarmte in elektriciteit kunnen omzetten, beperkt. Het doel van thermoelektrisch onderzoek is het vinden van materialen die een sterke elektrische spanning kunnen genereren uit een temperatuurverschil, terwijl ze de doorstroom van warmte weerstaan, maar de tweelingnatuur van lading en warmte heeft dit tot een hardnekkig puzzelstuk gemaakt. Als een materiaal goed elektriciteit geleidt, geleidt het bijna altijd ook goed warmte, wat het energieverschil dat nodig is om vermogen op te wekken, verspilt.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier voorgesteld om deze tweelingen te ontwarren, niet door de stroom van elektronen te stoppen, maar door ze zorgvuldig te filteren op basis van hun energie. Door een specifiek, ultradun materiaal te bestuderen, suggereren ze een methode om een situatie te creëren waarin elektronen gemakkelijk kunnen stromen om elektriciteit te dragen, maar de specifieke elektronen die de meeste warmte dragen, worden geblokkeerd. Deze aanpak zou kunnen leiden tot een nieuwe klasse van zeer efficiënte metalen materialen die de oude regels van warmtegeleiding doorbreken, wat potentieel kan leiden tot betere manieren om energie te oogsten uit warmtebronnen die momenteel te inefficiënt zijn om te gebruiken.

De onderzoekers begonnen door te kijken naar een enorme collectie gegevens van duizenden verschillende materialen om te zien waar de grenzen van de huidige technologie liggen. Ze ontdekten dat voor bijna elk getest materiaal de efficiëntie van het omzetten van warmte in elektriciteit wordt begrensd door de wet van Wiedemann-Franz. In eenvoudige bewoordingen: als een materiaal goed is in het verplaatsen van elektriciteit, is het ook goed in het verplaatsen van warmte, en dit evenwicht voorkomt dat de efficiëntie erg hoog wordt. De enige manier om deze limiet te doorbreken, is door een manier te vinden om de elektronen elektriciteit te laten dragen zonder hun gebruikelijke aandeel aan warmte mee te dragen. Het team realiseerde zich dat de sleutel ligt in hoe elektronen verstrooien, of afketsen, tegen obstakels binnen een materiaal. Als de verstrooiing afhangt van de energie van het elektron, is het mogelijk om de "juiste" elektronen door te laten terwijl de "verkeerde" worden tegengehouden.

Om dit te bereiken, stelden de wetenschappers een ontwerp voor dat fungeert als een selectieve poort voor elektronen. Ze theoretiseerden dat als een materiaal twee duidelijke energielagen heeft die zeer vlak zijn en gescheiden worden door een kleine kloof, ze een specifiek patroon van verstrooiing kunnen creëren. Stel je de stroom van elektronen voor als een waterstroom; gewoonlijk is de stroom breed en neemt het alles mee. De onderzoekers suggereerden dat door twee barrières in de stroom te plaatsen, ze een smal, gecontroleerd kanaal in het midden kunnen creëren. Elektronen met energieën binnen dit kanaal stromen vrij en dragen elektriciteit, terwijl elektronen met energieën buiten het kanaal worden weggestrooid. Cruciaal is dat de elektronen die de meeste warmte dragen, degenen zijn met een hogere energie, en het ontwerp is erop gericht om deze hoogenergetische dragers te blokkeren terwijl de laagenergetische dragers worden doorgelaten. Dit creëert een situatie waarin het materiaal goed elektriciteit geleidt maar de stroom van warmte onderdrukt, waardoor de Wiedemann-Franz-limiet effectief wordt doorbroken.

Het team testte dit idee met behulp van een materiaal genaamd monolaag Ni3In, een enkele laag nikkel- en indiumatomen. In zijn dikke, driedimensionale vorm heeft dit materiaal één vlakke energiestroom die helpt bij het verstrooien van elektronen, maar het is niet genoeg om het perfecte filter te creëren. Echter, wanneer het materiaal wordt teruggebracht tot een enkele atomaire laag, verschijnt er van nature een tweede vlakke energiestroom. Dit gebeurt omdat de atomen in de enkele laag de verbindingen verliezen die ze hadden met de lagen erboven en eronder, wat de beweging van hun elektronen verandert. De onderzoekers gebruikten krachtige computersimulaties om aan te tonen dat deze twee vlakke banden in het enkelvoudige materiaal precies de twee barrières creëren die nodig zijn om het selectieve kanaal te vormen. De simulaties toonden aan dat het materiaal een breed scala aan elektronen zou toestaan om elektriciteit te geleiden, terwijl het de specifieke hoogenergetische elektronen blokkeert die overtollige warmte dragen.

De resultaten van de simulaties waren veelbelovend. Het team ontdekte dat door de positie van de elektronische energieniveaus ten opzichte van het chemische potentiaal van het materiaal aan te passen, ze de gegenereerde spanning uit warmte konden maximaliseren terwijl de warmtestroom laag bleef. Ze berekenden dat deze aanpak de efficiëntie van metallische thermoelektrica meer dan kan verdubbelen vergeleken met de huidige beste presteerders. Hoewel het materiaal zelf nog niet in een laboratorium is gebouwd en getest om deze cijfers te bevestigen, bieden de computermodellen een duidelijk stappenplan. De studie suggereert dat door materialen te ontwerpen met deze gescheiden vlakke banden, wetenschappers systemen kunnen ontwerpen waarbij lading- en warmtetransport niet langer aan elkaar gekoppeld zijn. Dit opent een nieuw pad voor het creëren van efficiënte energieomvormers die werken met metalen, die vaak duurzamer en gemakkelijker te produceren zijn dan de fragiele halfgeleiders die vandaag de dag worden gebruikt.

De onderzoekers merkten ook op dat deze methode kan helpen bij het identificeren van fouten in eerdere experimenten. Door de prestaties van materialen uit te zetten tegen hun spanning en warmte-eigenschappen, vonden ze een paar datapunten die de regels leken te breken. Hun analyse suggereert dat deze uitschieters mogelijk te wijten zijn aan meetfouten of ongelijkmatige monsters in plaats van nieuwe fysica. Dit instrument voor het controleren van gegevens zorgt ervoor dat toekomstige ontdekkingen op een solide basis worden gebouwd. Uiteindelijk biedt het werk een concrete strategie voor de toekomst van technologie voor energie: in plaats van tegen de natuurwetten van metalen te vechten, kunnen ingenieurs nu materialen ontwerpen die de unieke eigenschappen van vlakke energiestromen gebruiken om elektriciteit van warmte te scheiden, waardoor een fundamentele beperking een instelbaar kenmerk wordt.