Tendências químicas em alto desempenho termoelétrico comprovadas em dicalcogenetos do tipo pirita
Figura 1. a. Estruturas cristalinas e ligações entre átomos nos dicalcogenetos IIB-VIA2 do tipo pirita; b. A primeira zona de Brillouin correspondente e seus pontos de alta simetria. Crédito:Jia Tiantian
O grupo de pesquisa do Prof. Zhang Yongsheng nos Institutos Hefei de Ciências Físicas da Academia Chinesa de Ciências investigou sistematicamente as propriedades termoelétricas (TE) de três IIB-VIA do tipo pirita
2 dicalcogenetos (ZnS
2 , CdS
2 e CdSe
2 ), e explorou seus mecanismos físicos e várias tendências químicas.
Suas descobertas foram publicadas na
Physics Review B .
Por meio de cálculos de alto rendimento, os três dicalcogenetos IIB-VIA2 do tipo pirita (ZnS
2 , CdS
2 , e CdSe
2 ) com estrutura cúbica simples e elementos baratos foram previstos para possuir propriedades promissoras de TE pela equipe. No entanto, os comportamentos detalhados do TE e os mecanismos físicos subjacentes fundamentais por trás deles ainda permanecem ambíguos.
Para este estudo, os pesquisadores investigaram as propriedades de transporte térmico e elétrico dos três dicalcogenetos IIB-VIA2 do tipo pirita e avaliaram seus desempenhos termoelétricos aproveitando métodos mais precisos.
Depois de calcular e analisar as propriedades dos fônons, eles concluíram que todos os três dicalcogenetos do tipo pirita tinham fônons ópticos de alta frequência localizados, contribuídos por seus dímeros não metálicos fortemente ligados covalentemente e modos de fônons suaves contribuídos por seus chocalhos como átomos de metal, o que resultou em suas fortes anarmonicidades e baixa condutividade térmica.
Existem também tendências químicas em que massas atômicas mais pesadas, parâmetros de deslocamento atômico maiores e comprimentos de ligação mais longos entre átomos metálicos e não metálicos podem levar a frequências de fônons mais suaves.
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Figura 2. Densidades de fônons parciais calculadas de estados. Crédito:Jia Tiantian
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Figura 3. Fatores de potência calculados (a) e figuras de mérito (b) em função da concentração de portadores para dopagem tipo p e tipo n a 300 K em ZnS2, CdS2 e CdSe2 (da esquerda para a direita), respectivamente. Crédito:Jia Tiantian
Além disso, todos os três compostos mostraram propriedades promissoras de transporte elétrico para dopagem tipo p e tipo n devido às suas grandes massas efetivas de densidade de estados e pequenas massas efetivas de condutividade, o que pode ser explicado pela isoenergia não esférica complexa As superfícies de Fermi nas bandas de valência e condução.
Além disso, eles descobriram que a baixa condutividade térmica da rede e propriedades promissoras de transporte elétrico contribuíram para seus excelentes desempenhos termoelétricos.
"Este estudo ilustra os efeitos dos dímeros não metálicos localizados e os átomos de metal semelhantes a chocalhos nas propriedades de transporte térmico, e a importância de diferentes massas efetivas de transporte para propriedades de transporte elétrico nesses dicalcogenetos do tipo pirita, que podem ser usados para prever e otimizar as propriedades TE de outros compostos TE no futuro", disse Jia Tiantian, primeiro autor do estudo.
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