Международная группа исследователей под руководством Фабиана Гармруди из Лос-Аламосской национальной лаборатории смогла разработать новые гибридные термоэлектрические материалы. Они отличаются высокой эффективностью прямого преобразования тепла в электричество и могут составить конкуренцию современным аналогам благодаря потенциально более низкой стоимости и лучшей стабильности.
Термоэлектрические материалы перспективны для питания автономных устройств, например, датчиков интернета вещей, за счёт преобразования окружающего тепла. Главная сложность в их создании — необходимость одновременно хорошо проводить электрический ток и плохо проводить тепло. Обычно эти свойства противоречат друг другу: хорошие проводники тока эффективно переносят и тепло за счёт колебаний атомов в своей кристаллической структуре (решётке).
Команда Гармруди нашла решение, смешав под высоким давлением и температурой порошки двух разных составов: сплава на основе железа и специальной добавки на основе висмута и сурьмы. На атомном уровне они не смешались, но образовали структуру, где кристаллы основного сплава разделены тонкими прослойками второго материала на границах между собой.
Ключевой момент заключается в разной структуре этих двух материалов. Из-за сильно различающихся кристаллических решёток тепловые колебания плохо передаются через границы между кристаллами, что эффективно блокирует перенос тепла. В то же время, благодаря схожим электронным свойствам, носители заряда (электроны) свободно проходят через эти границы. Более того, этот второй материал обладает особыми свойствами: он отлично проводит ток по своей поверхности, что дополнительно ускоряет движение электронов.
В результате удалось одновременно подавить перенос тепла и улучшить движение электрических зарядов, значительно повысив общую термоэлектрическую эффективность гибридного материала.