สถาบันเซี่ยงไฮ้ซิลิเกตและความคืบหน้าอื่น ๆ ในการศึกษาเสถียรภาพในการใช้วัสดุเทอร์โมอิเล็คทรอนิกส์แบบเหลว

เมื่อเร็ว ๆ นี้เซี่ยงไฮ้สถาบันเซรามิก, จีน Academy of Sciences รองศาสตราจารย์โจว Pengfei ประวัตินักวิจัยซุนเฉิน Lidong และอาจารย์ที่ Northwestern University, จีเจฟฟรีย์สไนเดอศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Giessen เยอรมนีJürgen Janek ความร่วมมืออื่น ๆ การวิเคราะห์ในเชิงลึกของประเภทวัสดุเทอร์โมในไอออนของเหลวสามารถย้ายออก ย้ายถิ่นและการเร่งรัดการดำเนินการภายใต้กลไกภาคสนามร่วมกับทฤษฎีและการทดลองเกณฑ์วงเงินที่เสนอ thermodynamically อู่ซ่อม 'ตามน้ำ' ไอออนสามารถตกตะกอนจากวัสดุและสอดคล้องเทคนิคและวิธีการลักษณะการทดลองที่นำเสนอบนพื้นฐานนี้ การแนะนำของ 'การปิดกั้นไอออน - การนำอิเล็กทรอนิกส์' อินเตอร์เฟซที่มีนัยสำคัญสามารถปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุเทอร์โมของเหลวเช่นการให้บริการภายใต้สนามไฟฟ้าแรงสูงหรือแตกต่างของอุณหภูมิที่มีขนาดใหญ่ของการศึกษานี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานจริงของวัสดุเทอร์โมของเหลวเช่นผลงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน "ธรรมชาติ - การสื่อสาร" นิตยสาร (การสื่อสารธรรมชาติดอย: 10.1038 / s41467-018-05248-8) ทีมวิจัยอิสระตั้งค่าอุปกรณ์และส่วนหนึ่งของผลการวัดที่ถูกตีพิมพ์ในนิตยสาร (Vol.32 2017 "วารสารของวัสดุอนินทรี", 1337- 1344) และการประยุกต์ใช้สิทธิบัตรจีน

Seebeck (คน Seebeck) เทคโนโลยีการแปลงพลังงานเทอร์โมโดยใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์และ Peltier (ก Peltier) ผลความร้อนประสบความสำเร็จกับพลังงานไฟฟ้าโดยตรงในแต่ละอื่น ๆ มีแนวโน้มที่โปรแกรมที่สำคัญและกว้างในสาขายานยนต์และอุตสาหกรรมผลิตไฟฟ้าความร้อนไอเสียเช่น. แต่ จำกัด ในโครงสร้างการสั่งซื้อในระยะยาวมีการนำความร้อนตาข่ายของวัสดุเทอร์โมธรรมดาของสารประกอบผลึกขีด จำกัด ต่ำสุด (ตาข่ายการนำความร้อนต่ำสุด) จำกัด คุณสมบัติที่เทอร์โมของพื้นที่การเพิ่มประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่องสำหรับคอขวดนี้จาก 2012 และเฉิน Lidong ทีมประวัติศาสตร์เทอร์โมนำไอออนรวดเร็วได้เสนอแนะนำ 'ตามน้ำ' ลักษณะของวัสดุที่เป็นของแข็งเพื่อลดการนำความร้อนและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานเทอร์โมได้หักผ่านการนำความร้อนตาข่ายแก้วของแข็งหรือผลึก ข้อ จำกัด เกี่ยวกับวัสดุและแล้วก็พบว่ามีชั้นเรียนขนาดใหญ่ 'phonon ของเหลว - คริสตัลอิเล็กทรอนิกส์ ... คุณสมบัติใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูง (ZT~2.0@1000 K) ตามระบบวัสดุเทอร์โมเหลว (Nat Mater 2012, Adv Mater 2013 และ 2014 และ 2015 และ 2017, Energ. Environ. วิทย์. 2014 และ 2017, npj เอเชีย Mater. 2015 ฯลฯ ) ได้กลายเป็นทิศทางที่มุ่งเน้นวัสดุศิลปะเทอร์โมที่ผ่านมา. แต่ความร้อนชั้นเรียนเหล่านี้มีสภาพคล่อง วัสดุ (เช่น Cu2-δSe, Ag9GaSe6, Zn4Sb3 ชอบ) มี "ของเหลวเช่น" ลักษณะของการย้ายถิ่นระยะยาวของไพเพอร์โลหะตกตะกอนได้อย่างง่ายดายที่สนามไฟฟ้าเพิ่มเติมหรืออุณหภูมิที่นำไปสู่ความมั่นคงที่ไม่ดีในการให้บริการการ จำกัด การใช้งานจริงของพวกเขา. ดังนั้น โดยการศึกษาวัสดุเทอร์โมของเหลวเช่นในการย้ายถิ่นไอออนและทางกายภาพกลไกจึงช่วยเพิ่มความมั่นคงในการให้บริการของพวกเขาชั้นที่สำคัญของของเหลวประสิทธิภาพสูงรุ่นใหม่นำไปใช้กับวัสดุเทอร์โม

ทีมพบสนามภายนอกไอออนโลหะ (เช่นทองแดง Ag, Zn) ตามวัสดุเทอร์โมของเหลวจากตัวอย่างที่ปลายด้านหนึ่งไปยังส่วนอื่น ๆ ที่มุ่งเน้นการย้ายถิ่นในระยะยาวและสร้างไล่ระดับความเข้มข้นของไอออน. แต่เพียงโลหะที่มีความเข้มข้นสูงที่ ประจุบวกสารเคมีที่มีศักยภาพเท่ากับหรือสูงกว่าสารเคมีโลหะที่สอดคล้องกันธาตุของไอออนโลหะจะตกตะกอนจากวัสดุที่เป็นโลหะธาตุที่นำไปสู่การสลายตัวของวัสดุ. ดังนั้นในแต่ละประเภทของวัสดุเทอร์โมของเหลวมีขีด จำกัด thermodynamically อู่ซ่อมเฉพาะเมื่อข้อมูลภายนอก การกระทำที่มีความแข็งแรงพอเพื่อให้วัสดุที่เกินขีด จำกัด นี้ไอออนตกตะกอนและการสลายตัวของวัสดุที่จะเกิดขึ้น. มิฉะนั้นชนิดของเหลววัสดุเทอร์โมจะคล้ายกับสารผลึกธรรมดาเทอร์โมมีความมั่นคงและรักษาคุณสมบัติเทอร์โมที่ดีของสนามภายนอก. อยู่บนพื้นฐานของ ไฟฟ้าเคมีสูตรมากลุ่มนี้พบว่านี้โดยเฉพาะค่าขีด จำกัด ทางอุณหพลศาสตร์ของวัสดุที่สามารถรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด (นั่นคือแรงดันเกณฑ์) สามารถทนต่อการสลายตัวที่เกิดขึ้นผ่านทาง. แรงดันเกณฑ์เป็นอิสระจากขนาดของพารามิเตอร์ลักษณะวัสดุเท่านั้น มันเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุและอุณหภูมิแวดล้อม

เพื่อพิสูจน์การดำรงอยู่ของวงเงินตามวัสดุเทอร์โมของเหลวที่มีเสถียรภาพ thermodynamically จากการทดลองทีมตั้งค่าความมั่นคงตนเองตราสารลักษณะเชิงปริมาณตามของเหลวเทอร์โมวัสดุในการให้บริการในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิคงที่และสภาพแวดล้อมสำหรับความแตกต่างของอุณหภูมิที่กำหนดตามลำดับโดยใช้ความต้านทานญาติและญาติ Seebeck สัมประสิทธิ์การแปรผันเป็นพารามิเตอร์การประเมินผลชุดของการวัดต่อเนื่อง Cu2-δ (S, Se) แรงดันเกณฑ์ของวัสดุเทอร์โมของเหลวตามค่าที่ตั้งแต่ 0.02-0.12V. ที่อุณหภูมิห้องที่มีการลบหรือจำนวนเงินที่เพิ่มขึ้นของδ Cu ที่เพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ Cu2-δ (S, Se) แรงดันเกณฑ์ของวัสดุที่ค่อยๆเพิ่มความคุ้มค่ากับการคาดการณ์ในเชิงทฤษฎีที่ได้แสดงให้เห็นว่าวัสดุที่มี "ของเหลวเช่น" ลักษณะของไพเพอร์โลหะเป็นเรื่องยากมากที่จะเกิดการตกตะกอน. ที่แตกต่างของอุณหภูมิที่ระบุใน , Cu2-δ (S, Se) แรงดันเกณฑ์ของวัสดุที่ยังเกี่ยวข้องกับทิศทางการไหลของความร้อนภายในของวัสดุ. เมื่อทิศทางการไหลของความร้อนทิศทางปัจจุบันเป็นเช่นเดียวซึ่งเป็นวัสดุที่มีแรงดันเกณฑ์ขนาดเล็กแสดงให้เห็นว่าวัสดุไอออนโลหะมีแนวโน้มที่จะเกิดการตกตะกอน. ตรงกันข้าม เมื่อทิศทางตรงข้ามกับทิศทางในปัจจุบันของการไหลของความร้อนวัสดุที่มีแรงดันเกณฑ์เพิ่มขึ้นเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในความมั่นคงของวัสดุ

บนพื้นฐานของการย้ายถิ่นไอออนและกลไกการเร่งรัดเข้าใจต่อทีมที่นำเสนอแนะนำ 'ปิดกั้นไอออน - ค่าการนำอิเล็กทรอนิกส์' ในวัสดุเทอร์โมของเหลวเหมือนในอินเตอร์เฟซที่สามารถระงับได้อย่างมีประสิทธิภาพการตกตะกอนด้วย "ของเหลวเช่น" ลักษณะของไพเพอร์โลหะและการเพิ่มขึ้นตามสภาพคล่อง ความมั่นคงของวัสดุเทอร์โมไพเพอร์ที่ทำหน้าที่เป็นโลหะไม่ได้ 'ปิดกั้นไอออน - อิเล็กตรอน' ผ่านสนามบทบาท interfacial จะถูกปิดกั้นไอออน - อิเล็กตรอนจากอินเตอร์เฟซที่มีสภาพคล่องส่วนวัสดุเทอร์โมตามร่วมกันโดยอุปสรรค มันสามารถยังคงมีเสถียรภาพจึงทำให้สนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่งหรือที่แตกต่างของอุณหภูมิมากขึ้นทำหน้าที่เกี่ยวกับหินใหญ่ก้อนเดียวขณะที่ 'ปิดกั้นไอออน - อิเล็กตรอน' ไม่ได้ส่งผลกระทบต่ออินเตอร์เฟซประกอบด้วยการขนส่งอิเล็กตรอน / หลุมเพื่อให้ได้รับหลายวัสดุสูง ในขณะที่ความมั่นคงของการบริการที่จะรักษาคุณสมบัติที่ดีเทอร์โมกลยุทธ์นี้ Cu1.97S ภายในหลายส่วนที่เชื่อมต่อด้วยชั้นวัสดุนำของคาร์บอนได้รับการยืนยันเรียบร้อยแล้ว. งานนี้ไม่เพียง แต่ให้สำหรับการประยุกต์ใช้วัสดุเทอร์โมของเหลวตาม ความเป็นไปได้นอกจากนี้ยังมีวิธีการใหม่ในการปรับปรุงเสถียรภาพไอออนิกบริการอิเล็กทรอนิกส์ / ตัวนำผสม

การทำงานเป็นการวิจัยและการพัฒนาประเทศที่สำคัญโครงการมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติธรรมชาติของจีนจีน Academy of Sciences Innovation สมาคมส่งเสริมเยาวชนและการระดมทุนและการสนับสนุนอื่น ๆ

สภาพแวดล้อมการทำงาน (ก) เป็นของเหลวที่ใช้วัสดุเทอร์โม; หมวดหมู่ทั่วไปของของเหลวที่เป็นวัสดุเทอร์โมผลสูงในปัจจุบัน (ข) และ (ค) 'ปิดกั้นไอออน - การนำอิเล็กตรอนใบหน้าในตอนท้ายของวัสดุเทอร์โมตามอินเตอร์เฟซโลหะเหลวที่ตกตะกอน Cu

กระบวนการทางกายภาพและทางเคมีสำหรับการโยกย้ายไอออนและการตกตะกอนในวัสดุเทอร์โมอิเล็กตริกแบบเหลว

(ก) ที่สำคัญในปัจจุบันและแรงดันเกณฑ์ของกลุ่มตัวอย่างความยาวแตกต่าง Cu1.97S (ข) มีแรงดันเกณฑ์ที่แตกต่างกัน Cu2-dS ตัวอย่างปริมาณสารสัมพันธ์ (ค) ในปัจจุบันที่สำคัญที่แตกต่างของอุณหภูมิที่ระบุในตัวอย่าง Cu1.97S; ( ง) ที่ Cu1.97S แรงดันเกณฑ์และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทิศทางการไหลของความร้อน

ใช้ 'การปิดกั้นไอออน - การนำอิเล็กตรอน' หลักการของการปรับปรุงเสถียรภาพอินเตอร์เฟซให้บริการ (A, B) (ค) สภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิคงที่และ (ง) ผลในสภาพแวดล้อมที่กำหนดแตกต่างของอุณหภูมิ