Это – физика учебника: совершенный кристалл должен провести тепло хорошо. Теперь, однако, ученые создали экзотический новый материал, нарушающий то правило.
Их теоретическое объяснение того, как кристаллические работы могли помочь исследователям найти, что лучшие термоэлектрические материалы генерируют электричество непосредственно от тепла. Такие материалы могли бы когда-нибудь привести штуковины в действие в Вашем автомобиле от тепла в выхлопе, и термоэлектрические устройства уже используются для охлаждения электроники и некоторых цифровых фотоаппаратов.Новый кристалл — подобное клетке множество кремниевых и бариевых атомов назвало клатрат — тепло остановок в течение его следов путем преобразования колебаний, путешествующих через материал для передачи тепла в колебания, не перемещающиеся, говорят исследователи.
Другие видели доказательства, что подобные кристаллы выполнили ту же уловку, но новая бумага показывает подробно, как это появляется, говорит Могенс Кристенсен, материаловед из Орхусского университета в Дании, изучивший клатрат, содержащий барий, галлий и германий. «Это является совершенно соответствующим с тем, что мы получили, но это кладет к тому же теоретический анализ», говорит он. «Это действительно красиво, что теория соответствует их данным так хорошо».Кристалл состоит из повторяющегося 3D образца атомов, ведущих себя как шары, соединенные жесткими веснами. Квантовые волны электронов текут свободно через кристаллическую решетку, формируя электрические токи.
Квантовавшие волны движения самих атомов, известный как фононы, также текут через кристалл для переноса тепла. Если образец кристалла не содержит дефектов, обоих типов скольжения волн вдоль беспрепятственного.
Вот почему большинство металлов с готовностью проводит и тепло и электричество. Напротив, стекла — приведенные в беспорядок беспорядки атомов — являются электрическими и тепловыми изоляторами.Однако физики давно знали тот, определенные термоэлектрические материалы проводят электричество хорошо, но нагреваются плохо.
Такие материалы, как правило, являются кристаллами, «лакируемыми» беспорядочно с атомами загрязнения. В середине 1990-х теоретики рассуждали, что идеальный термоэлектрический материал будет представлять интересы как стекло фононов, но кристалл для электронов и клатраты, состоящие из подобных футбольному мячу многогранников тяжелых атомов с более легкими атомами гостя в них, казалось, воплощали понятие.
Грохоча независимо, содержащиеся в клетке атомы создали бы беспорядок и отклонили бы несущие тепло фононы, как раз когда кристалл провел электричество — или таким образом, взгляды пошли.Но это не то, как клатраты работают, сообщают о Марке де Буассие, физике конденсированного вещества в Гренобльском Технологическом институте во Франции и коллегах. Для показа его они кропотливо синтезировали клатрат, Ba8Si46, имеющий совершенно организованную кристаллическую структуру с бариевыми атомами в клетках кремниевых атомов.
Более легко сформированные клатраты, которые ученые изучили ранее, такие как бариевый германиевый галлием состав, являются менее организованными, потому что клетки состоят из случайной смеси атомов. Исследователи тогда использовали изящно чувствительные измерения рентгеновских лучей для исследования фононов в их крошечном новом кристалле.Фононы прибывают в два типа. Акустические фононы действуют как звуковые волны, проносящиеся через кристалл на фиксированной скорости независимо от их длины волны.
Они несут тепло. Напротив, оптические фононы обычно имеют более высокие энергии, перемещаются более медленно и несут мало тепла. Два типа колебаний очень отличаются: самый простой акустический фонон состоит из всех атомов, хлюпающих назад и вперед на концерте.
Самый простой оптический фонон состоит из соседних атомов, колеблющихся в противоположных направлениях. Де Буассие, Стефан Пэйлхес из университета Лиона во Франции и коллег измерили энергию каждого типа фонона как его различная длина волны.
Поскольку длина волны уменьшается, энергия акустических подъемов фононов к относительно неизменной энергии оптических фононов. Если отдельные бариевые атомы отклоняли акустические фононы, то, поскольку эти две энергии тянут близко, срок службы акустических фононов должен упасть, и их энергия должна стать более неуверенной. Но это не то, что происходит, как исследователи сообщают в газете в прессе в Physical Review Letters.
Вместо этого поскольку энергии становятся равными, несущий тепло акустический морф фононов в постоянные оптические фононы, в которых все бариевые атомы колеблются на концерте и кремниевых атомах, останавливаются. Подробное моделирование подтверждает организованное изменение движения к бариевым атомам. Таким образом, беспорядок не убивает теплопроводность клатратов, отклоняя понятие, что это – стекло для фононов.Предыдущая теория и измерения указали на такую конверсию фонона в других клатратах.
Но путем объединения измерений с совершенным кристаллом и теоретических вычислений, новых двигателей исследования домой сообщение, говорит Кристенсен Орхуса. Он говорит, что в 2008, его бригада не могла выполнить подобный теоретический анализ их бариевого германиевого галлием состава, потому что это содержало случайную смесь галлия и германиевых атомов.
Тот беспорядок сделал состав слишком трудным к модели — даже если это не было ключевым для того, как это работало.Но результатом может не быть заключительное слово, говорит Майкл Коза, физик в Инштитуте Лауэ-Лангевине в Гренобле, имеющем замеченные подобные эффекты в подобных клетке материалах, названных скуттерудитами. Другая теоретическая работа предполагает, что модели, разбирающиеся в поведении фононов, могут все еще понять теплопроводность материала превратно, говорит он.
Таким образом, могут все еще быть некоторые части, отсутствующие в проблеме клатратов и скуттерудитов. «Насколько релевантный является это [новым результатом] к теплопроводности?» Коза говорит. «Существует все еще большая работа, чтобы сделать».