Титан повысил эффективность преобразования тепла в электричество в 250 раз
- Учёные университета Тохоку добавили 4,6–9,3% титана в тонкую плёнку нитрида хрома; её фактор мощности вырос в 250 раз.
- Прототип генератора на новом материале выдал 38,0 мВт/см² удельной мощности и максимум 455,8 нВт при разнице температур 96 К.
- Добавка титана почти в 100 раз повысила подвижность носителей заряда без высокотемпературной обработки.
Почему это важно: Изготовление плёнок при комнатной температуре важно для интеграции термоэлектрических элементов в устройства, чувствительные к нагреву при производстве.
Учёные из японского университета Тохоку разработали термоэлектрический материал на основе нитрида хрома, эффективность которого при преобразовании тепла в электричество оказалась в 250 раз выше, чем у чистого нитрида хрома. Для этого в тонкую плёнку добавили небольшое количество титана. Подход позволяет улучшить электрические характеристики материала без высокотемпературной обработки, что важно для интеграции термоэлектрических элементов в электронные устройства.
Нитрид хрома уже используют в электронных компонентах в виде тонких покрытий: его можно наносить при комнатной температуре. Однако в таком материале присутствуют вакансии азота — участки кристаллической структуры, в которых отсутствуют атомы этого элемента. Они ухудшают термоэлектрические свойства плёнки. Чтобы уменьшить влияние дефектов, учёные добавили титан, который сильнее взаимодействует с азотом, чем хром.
Исследователи подбирали концентрацию титана в диапазоне от 4,6 до 9,3%. Добавка позволила уменьшить количество электронов, переносящих заряд, но при этом почти в 100 раз повысить их подвижность. В результате оставшиеся носители заряда стали перемещаться по материалу значительно свободнее. Это позволило улучшить преобразование тепла в электричество, не прибегая к высокотемпературным технологическим процессам.
Ключевым показателем термоэлектрических свойств материала стал фактор мощности — величина, учитывающая электропроводность и способность материала создавать напряжение при разнице температур. Для плёнки с титаном он составил 5,26 мкВт·см⁻¹·К⁻², что в 250 раз превышает показатель чистого нитрида хрома.
На основе материала учёные также изготовили прототип термоэлектрического генератора. Его удельная выходная мощность достигла 38,0 мВт/см², а максимальная мощность составила 455,8 нВт при разнице температур 96 К. По данным авторов, удельная мощность сопоставима с показателями существующих высокоэффективных термоэлектрических материалов.
Технология может найти применение для получения электричества из тепла, которое выделяют смартфоны, промышленное оборудование и транспорт. Особенно важна возможность изготовления плёнок при комнатной температуре: это потенциально упрощает их интеграцию в устройства, чувствительные к нагреву при производстве.
© iXBT
