De kracht van hitte benutten: thermo-elektrische wonderen van cadmium-arsenide ontsluiten

AmsterdamOverbodige warmte wordt geproduceerd door energiecentrales, uitlaatgassen van auto's en fabrieken. Bolin Liao, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de UC Santa Barbara, en zijn team werken aan het benutten van deze warmte. Zij hebben de thermoelectrische eigenschappen van hoogwaardige cadmiumarsenide (Cd3As2) dunne films onderzocht.

Onderzoekers streven ernaar om afvalwarmte te benutten om de energie-efficiëntie te verbeteren. Het ideale materiaal hiervoor moet goed elektriciteit geleiden, slecht warmte geleiden en een hoge spanning kunnen opwekken uit een temperatuurverschil. Deze combinatie van eigenschappen is zeldzaam, maar cadmiumarsenide lijkt veelbelovend.

Cadmiumarsenide is een type materiaal dat bekend staat als een Dirac-semimetaal. Hoewel het niet goed is in het geleiden van warmte, laat het wel elektronen makkelijk bewegen. Hierdoor is het uitstekend voor het geleiden van elektriciteit. Het genereert echter weinig spanning bij een temperatuurverschil, een fenomeen dat bekend staat als het Seebeck-effect. Dit effect is cruciaal voor apparaten die warmte omzetten in elektriciteit.

Om een bruikbare spanning te genereren, is een bandkloof nodig. Een bandkloof is een energiegebied waarin elektronen niet kunnen geleiden. In bulk cadmium-arseen kristallen ontbreekt een bandkloof. Dit moet worden bereikt:

• Hoge elektrische geleiding.
• Slechte thermische geleiding.
• Een aanzienlijke spanning onder een temperatuurverschil.

Het team profiteerde van de expertise van UCSB-materiaalwetenschapper Susanne Stemmer, die gespecialiseerd is in het creëren van dunne films. Haar laboratorium maakt hoogwaardige materialen met een proces genaamd moleculaire bundel epitaxie (MBE). Deze techniek produceert materialen die variëren van slechts enkele nanometers tot enkele micrometers dik.

Lees ook:

Vandaag · 01:33

Betovering door geluid: magie voor blinden mogelijk?

In hun onderzoek vervaardigden zij drie kadmiumarseenfilms van hoge kwaliteit met verschillende diktes:

• 950 nm
• 95 nm
• 25 nm

Dunnere materialen vertonen een duidelijk bandgap. Bij kleine afmetingen zorgt het kwantummechanisme, bekend als kwantumbeperking, voor deze bandgap. Dit verhoogt de Seebeck-coëfficiënt, wat de spanningoutput verbetert.

Uit het onderzoek bleek dat het materiaal beter in staat is om warmte om te zetten in elektriciteit wanneer het dunner is. De Seebeck-coëfficiënt, die deze capaciteit meet, was zeven keer beter dan het beste materiaal dat momenteel beschikbaar is. Deze effecten werden waargenomen bij zeer lage temperaturen.

Cd3As2 dunne films zijn nog niet geschikt voor gebruik bij kamertemperatuur, maar ze presteren goed in zeer koude omgevingen. Deze koele omgevingen zijn vaak te vinden in sectoren zoals ruimtevaart, geneeskunde en quantumcomputing. Een goed vastestof koelmateriaal kan schadelijke koelmiddelen vervangen.

Deze bevinding is nuttig voor gebruik bij lage temperaturen en laat zien dat kwantumbeperking de thermo-elektrische eigenschappen kan verbeteren. De onderzoekers waren de eersten die de bijdrage van oppervlaktetoestanden konden isoleren. Dit werk is belangrijk zowel voor een beter begrip als voor praktische toepassingen.