Zespół badawczy skupił się na azotku chromu, który od dawna wzbudza zainteresowanie ze względu na swoje właściwości termoelektryczne. Jego praktyczne wykorzystanie było jednak ograniczone przez problemy związane z procesem produkcji i strukturą krystaliczną. Teraz może się to zmienić. Podstawą nowego rozwiązania jest zjawisko Seebecka. Polega ono na powstawaniu napięcia elektrycznego w materiale, w którym występuje różnica temperatur. W praktyce oznacza to, że odpowiednio zaprojektowany materiał może przekształcać energię cieplną bezpośrednio w elektryczną.
Czytaj też: Zwyczajny metal może rozwiązać jeden z największych problemów energetyki. Kto by się tego spodziewał?
Technologia ta ma duży potencjał w odzyskiwaniu energii, która normalnie zostałaby zmarnowana. Można ją wykorzystać na różne sposoby, między innymi w elektronice i pojazdach. Na uwagę zasługują cienkowarstwowe materiały termoelektryczne, ponieważ można integrować je bezpośrednio z niewielkimi urządzeniami elektronicznymi. Dotychczas problem polegał jednak na tym, że wiele materiałów osiągających wysoką wydajność wymaga skomplikowanej produkcji w wysokich temperaturach. Ograniczało to możliwość umieszczania ich na podłożach wrażliwych na ciepło, w tym na niektórych elastycznych elementach elektronicznych.
Japońscy naukowcy postanowili rozwiązać ten problem, dodając do azotku chromu niewielką ilość tytanu. Wykorzystali fakt, że pierwiastek ten silniej wiąże azot niż chrom. Dzięki temu pomaga ograniczać powstawanie tak zwanych wakansów azotowych, czyli miejsc w strukturze krystalicznej, w których brakuje atomów azotu. Takie defekty negatywnie wpływają na transport elektronów i obniżają właściwości termoelektryczne materiału. Ich ograniczenie pozwoliło badaczom poprawić ruchliwość elektronów, jednocześnie kontrolując koncentrację nośników ładunku.
Czytaj też: Fizycy złamali jedną z podstawowych zasad. Dwa elektrony dokonały czegoś, co miało być niemożliwe
Efekt końcowy okazał się niezwykły. Współczynnik mocy termoelektrycznej materiału osiągnął wartość około 250 razy wyższą niż w przypadku czystego azotku chromu. Badacze nie ograniczyli się do analizy właściwości samego materiału. Na bazie opracowanej cienkiej warstwy zbudowali również prototyp generatora termoelektrycznego umieszczonego na szklanym podłożu. Podczas testów urządzenie osiągnęło maksymalną moc 455,8 nanowata przy różnicy temperatur wynoszącej 96 kelwinów. Wyniki są porównywalne z osiągami zaawansowanych materiałów termoelektrycznych, których produkcja wymaga znacznie wyższych temperatur. To szczególnie istotne, ponieważ nowy azotek chromu z dodatkiem tytanu można wytwarzać w temperaturze pokojowej.
Źródło: Journal of Materials Chemistry A
