| Название: | Термоэлектрический преобразователь с рекордными параметрами на основе углеродных наноструктур: разработка научных основ |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 09 - Инженерные науки |
| Научная дисциплина: | 09-305 - Физические аспекты получения, преобразования и передачи электроэнергии |
| Ключевые слова: | Термоэлектричество. Конструкция термоэлектрического элемента. Углеродные наноструктуры. Коэффициент термоэдс - коэффициент Зеебека. Интерфейс - граница углеродных наноструктур Теплопередача на границе углеродных наноструктур. Графитоподобные области. Алмазоподобные области. Увлечение электронов фононами. Углеродные нанокомпозиты. Графен. Алмазные плёнки. Метод CVD. |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Эйдельман,ЕД |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 16-19-00075 |
Аннотация:
Задачей проекта является проверка принципиально новой научной идеи, позволяющей, по нашему мнению, на порядок повысить эффективность термоэлектрического генератора (ТЭГ).
Как известно, эффективность ТЭГ определяется величиной Z = S2σ/χ, где S - коэффициент термоэдс – коэффициент Зеебека, а σ и χ – коэффициенты электо и теплопроводности соответственно. Основными проблемами выбора – термоэлектрического функционального материала являются, первое, это повышение S, а, второе, понижение χ без одновременного повышения σ. К сожалению, обычно тепло и электропроводности пропорциональны друг другу.
В лучших из существующих ТЭГ ZT = 1.5 при комнатной температуре.
Новая идея состоит в использовании для повышения S эффекта увлечения электронов потоком тепла – фононами, а для уменьшения χ рассеяния тепла – фононов на границе металл –диэлектрик в композите, когда прямо пропорциональная связь χ с σ отсутствует.
Уникальным материалом, в котором реализуется предложенная авторами проекта идея, является углеродная наноструктура, которая состоит из области с sp2 гибридизацией атомов углерода, графитоподобные области с металлическими свойствами, так и области с sp3 гибридизацией атомов углерода, алмазоподобные области с диэлектрическими свойствами. В такой наноструктуре, как показано ранее авторами проекта, реализуются, как эффект увлечения электронов баллистическими - не сталкивающимися друг с другом фононами, так и эффект уменьшение теплопроводности за счет теплопередачи на границах с различным типом гибридизации электронных оболочек. В идеальных условиях это позволяет достичь величины ZT= 150. Указанная углеродная наноструктура защищена патентом РФ. Идеи, лежащие в основе проекта, приведены частично в статьях авторов проекта, опубликованных в международных журналах.
Конструкция лабораторного макета термоэлемента, которую предполагается разработать, представляет собой чередующиеся слои с sp2 и sp3 типом гибридизации электронных оболочек атомов углерода. Основной вклад в термоэдс в такой конструкции дает не обычный диффузионный механизм, а на порядок более эффективный процесс увлечение электронов потоком тепла – баллистическими фононами. В тоже время рассеяния тепла на границах sp2/sp3 областей существенно понижает теплопроводность. Совместное действие этих двух эффектов и должно приводить к увеличению в идеальных условиях параметра ZT в 100 раз. Создание подобной структуры еще несколько лет тому назад представлялось невозможным. Прогресс в области технологии роста углеродных наноструктур методом химического осаждения из газовой фазы (CVD технологии), развитие методов контроля параметров слоев на атомном уровне, приобретенный авторами проекта опыт в развитии технологии и изучении алмазных наночастиц и графена позволяет приступить к практической реализации новой идеи.
Основной риск проекта состоит в трудности реализации достаточно резкого переходного слоя - интерфейса между слоями углерода с sp2 и sp3 гибридизацией электронных оболочек, на уровне около 10 нм. Надежду на возможность решения поставленной задачи является технологическое достижение одной научной группы 2006 г. [S Bhattacharyya, SJ Henley, E Mendoza, L Gomez-Rojas, J Allam, SPR Silva (2006) Nature materials, v. 5, No 1, p.19; http://www.nature.com/nmat/journal/v5/n1/full/nmat1551.html], получивших, по-видимому, близкое значение толщины интерфейса, при решении другой задачи.
В проекте предполагается:
1.развить технологию многослойных углеродных структур, состоящих из чередующихся алмазо - (sp3) и графитоподобных (sp2) слоев,
2. провести теоретическое рассмотрение влияния sp2/sp3 интерфейса на ZT параметр,
3. развить методику исследования параметров sp2/sp3 слоев на наномасштабах,
4.экспериментально изучить термоэдс и теплопроводность таких многослойных sp2/sp3 структур,
5. на основе полученных результатов предложить оптимальную структуру термоэлектрического генератора на основе sp2/sp3 углеродной наноструктуры.
В проекте предполагается изготовить и исследовать по крайней мере три типа многослойных sp2/sp3 структур:
a) Трехслойную структуру sp3 – sp2 –sp3, в которой слой sp2, толщиной не более 50 - 20 нм находится между sp3 слоями каждый с толщинами на порядок больше. При этом структура должна быть изготовлена в едином технологическом цикле.
b) Трехслойную структуру sp3 – композит– sp3, в которой композит представляет собой матрицу sp2 с наноразмерными частицами sp3. Слой композита, толщиной 50 -20 нм и менее находится между sp3 слоями каждый с толщинами на порядок больше
c) Трехслойную структуру sp3 – графен– sp3.
В проекте предполагается исследовать возможность мультиплицирования указанных структур, которые при наложении на торцы электрических контактов и нагреве с одного или охлаждении с другого торца могут послужить основой для изготовления ТЭГ с рекордными параметрами.
Ожидаемые результаты:
В статье 2014 года, посвященной термоэлектрическим преобразователям, названной «Термоэлектричество. Гадкий утенок (Thermoelectricity: The ugly duckling. Joseph P. Heremans, Nature 508, 327–328 (17 April 2014) doi:10.1038/508327; http://www.nature.com/nature/journal/v508/n7496/full/508327a.html) и опубликованной в одном из самых престижных научных журналов подчеркивается многолетняя мечта ученых и инженеров о превращении «гадкого утенка» в «прекрасного лебедя». До настоящего времени не удалось найти пути осуществления этой мечты и увеличить параметр ZT хотя бы до ZT=3 при комнатной температуре.
Проект направлен на решение этой задачи и использует уникальные свойства углеродных наноструктур.
Углеродные наноструктуры в настоящее время активно исследуются во всех ведущих центрах мира. Достаточно сказать, что (по данным WoS) число публикаций с ключевыми словами «углеродные наноструктуры» (carbon nanostructures) за последние 5 лет уже значительно превысило количество публикаций с ключевыми словами «полупроводниковые гетероструктуры» (semiconductor heterostructures) – 3073 по сравнению с 1821.
Причина такого интереса вполне понятна. Именно углеродные наноструктуры, за открытие и исследования которых в последние годы было присуждено две Нобелевские премии (по химии за открытие фуллеренов в 1996 и по физике в 2010 г. за исследования в области графена) представляют широкие технологические возможности для создания новых материалов и приборов. В то же время исследования термоэлектрических эффектов в углеродных наноструктурах только разворачиваются. За указанные годы по данным WoS было опубликовано только 7 работ с ключевыми словами «эффект Зеебека» и «углеродные наноструктуры». В указанных работах нет пересечения с предложенной в проекте идеей.
В тоже время поиск путей повышения эффективности термоэлемента непрерывно продолжается в мире уже более 50 лет по очевидной причине – важности использования эффективных экологически чистых методов получения энергии. Поскольку термоэлементы могут быть использованы как в бытовой технике, так и в различных областях промышленности, достаточно упомянуть термогенераторы, работающие за счет использования тепла работающих двигателей, создание эффективных малогабаритных термоэлементов была и остается одной из актуальных технических задач.
Теоретические и технологические подходы, развиваемые участниками проекта, соответствуют мировому уровню работ в области углеродных наноструктур, о чем свидетельствует публикации в ведущих научных журналах:
1.Мейлахс АП, Эйдельман ЕД (2014) Перегрев или переохлаждение электронов в металле из-за влияния границы с диэлектриком, Письма ЖЭТФ, т.100, 2 с.: 89-93, http://www.jetpletters.ac.ru/ps/2049/article_30850.pdf;
2.Мейлахс АП, Эйдельман ЕД (2013) Новая модель передачи тепла через границу металл-диэлектрик на примере границ в композите алмаз-медь, Письма ЖЭТФ, т.97, 1 с.: 42-44, http://www.jetpletters.ac.ru/ps/1995/article_30140.pdf;
3. Koniakhin SV, Eidelman ED (2013) Phonon drag thermopower in graphene in equipartition regime
Europhys. Lett., v.103, 3 ArtNo: #37006; http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/103/37006/meta;jsessionid=97A275F5A70FE45879E0651579484716.c1;
4. D.A.Kurdyukov, N.A.Feoktistov, A.V.Nashchekin, Yu.M.Zadiranov, A.E.Aleksenskii, A.Ya.Vul’, V.G.Golubev (2012) Ordered porous diamond films fabricated by colloidal crystal templating. Nanotechnology, v.23, p.015601-1-7,
http://iopscience.iop.org/0957-4484/23/1/015601,
определяют в настоящее время мировой уровень в исследованиях передачи тепла через границу металл-диэлектрик.
Величины термоэлектрической эффективности и термоэлектрического параметра в структуре, которая будет создана в ходе проекта на основе предложенной в указанном выше патенте идее (см. дополнительный материал)
Конструкция лабораторного макета термоэлемента, технологию которую предполагается разработать, представляет собой чередующиеся слои с sp2 и sp3 типом гибридизации электронных оболочек атомов углерода (см. дополнительный материал). Реализация подобной структуры еще несколько лет тому назад представлялась сомнительной. Использование технологии роста углеродных наноструктур методом химического осаждения из газовой фазы (CVD технологии), имеющейся у участников проекта (в Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, (ФТИ) http://www.ioffe.ru и в Санкт-Петерубргском национальный исследовательский Академическом университете Российской Академии наук (АУ); http://spbau.ru/), позволяет приступить к практической реализации новой идеи. Развитие методов контроля параметров слоев на атомном уровне и опыт участников проекта последних лет в развитии технологии и изучении алмазных наночастиц и графена позволяют надеяться на успех в практической реализации новых идей.
Основной риск проекта связан с технологической возможностью достижения «резкого» не более 1-2 нм толщины области интерфейса (толщины переходного слоя) между sp2 и sp3 углеродными слоями в многослойной структуре. Как указывалось, выше, о реализации переходного слоя подобной толщины сообщалось только в одной работе, опубликованной в 2006 году, причем авторы шли к достижению этой цели несколько лет. Несомненно, определенные сложности возникнут с определениями параметров структуры, имеющих такие малые толщины слоев. Однако в последнем случае успешный опыт участников проекта в характеризации слоев графена одноатомной толщины вселяет оптимизм.
В проекте предполагается:
1.развить технологию многослойных углеродных структур, состоящих из чередующихся алмазо - (sp3) и графитоподобных (sp2) слоев,
2. провести теоретическое рассмотрение влияния sp2/sp3 интерфейса на ZT параметр,
3. развить методику исследования параметров sp2/sp3 слоев на наномасштабах,
4.экспериментально изучить термоэдс и теплопроводность таких многослойных sp2/sp3 структур,
5. на основе полученных результатов предложить оптимальную структуру термоэлектрического генератора на основе sp2/sp3 углеродной наноструктуры.
В проекте предполагается изготовить и исследовать по крайней мере три типа многослойных sp2/sp3 структур:
a) Трехслойную структуру sp3 – sp2 –sp3, в которой слой sp2, толщиной 50 - 20 нм и менее находится между sp3 слоями каждый с толщинами на порядок больше. При этом структура должна быть изготовлена в едином технологическом цикле.
b) Трехслойную структуру sp3 – композит– sp3, в которой композит представляет собой матрицу sp2 с наноразмерными частицами sp3, Слой композита, толщиной 50 -20 нм и менее находится между sp3 слоями каждый с толщинами на порядок больше
c) Трехслойную структуру sp3 – графен– sp3.
В проекте предполагается исследовать возможность мультиплицирования указанных структур, которые при наложении на торцы электрических контактов и нагреве с одного или охлаждении с другого торца могут послужить основой для изготовления ТЭГ с рекордными параметрами.
Предполагается провести оптимизацию конструкции термоэлектрического элемента на основе углеродных материалов и достичь рекордного термоэлектрического параметра ZT > 3.
