Селенид меди (Cu₂Se) привлекает научный интерес благодаря своей термоэлектрической способности преобразовывать тепло в электричество. Однако практическое применение этого материала ограничено из-за недостаточного понимания на атомном уровне.
Группа инженеров Мичиганского университета и европейские коллеги разработали новую вычислительную модель. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, эта модель точно рассчитывает электронные свойства и атомные колебания в кристаллической структуре.
«Существует множество эффектов, переплетённых вместе, как узел, но наш новый метод разделяет каждый из них по отдельности с низкими вычислительными затратами», — сказал Юсюань Ван, докторант в области материаловедения и инженерии в Мичиганском университете и ведущий автор исследования.
Новые возможности для термоэлектрических устройств
Результаты помогут разработать термоэлектрические устройства, способные генерировать электричество из отработанного тепла на атомных электростанциях или в автомобильных выхлопах. Поскольку термоэлектрические устройства работают в обоих направлениях (применение электрического тока создаёт одну горячую и одну холодную сторону), селенид меди может также питать нагреватели или холодильники, которые работают более эффективно и тихо, чем обычные системы, без шумных турбин, вентиляторов, насосов или поршней.
Селенид меди не выделяет опасных выбросов, поскольку использует в качестве единственного ввода и вывода только тепло и электричество. Сам по себе селенид меди нетоксичен и относительно распространён по сравнению с другими термоэлектрическими соединениями.
Сложности моделирования селенида меди
Селенид меди особенно трудно моделировать, поскольку ионы меди являются суперионными, то есть они перемещаются с жидкостной подвижностью внутри твёрдого тела. Постоянное движение ионов меди создаёт динамическую асимметричную структуру.
Традиционные вычислительные методы используют кристаллическую симметрию, моделируя небольшую группу атомов для прогнозирования структуры и свойств всего кристалла. Однако мобильные ионы селенида меди создают бесчисленное количество возможных атомных конфигураций, что делает расчёты непомерно дорогими. Эти традиционные методы также не могут отделить температурные эффекты (тепловые колебания) от фундаментального квантового поведения.
Новый подход к моделированию
Исследователи создали новую модель, основанную на методе специального ангармонического смещения (ASDM), который использует математические уравнения для прогнозирования расстояния и направления смещения атомов меди и того, как они изменяются с температурой.
Расчёт термодинамически усреднённых положений, которые атомы меди будут занимать при заданной температуре, позволяет моделировать поведение селенида меди, используя только один вычислительный снимок вместо сотен, что повышает вычислительную эффективность. Метод превращает сложные динамические движения в квазистатическую картину.
Новая квазистатическая модель делает моделирование суперионных материалов более точным и доступным, рассчитывая положения ионов меди при каждой температуре.
Результаты исследования
Моделирование с использованием «квазистатической полиморфной модели» правильно предсказало, что селенид меди является полупроводником, и точно воспроизвело, как ширина запрещённой зоны сужается с повышением температуры, что соответствует экспериментальным наблюдениям.
Новая модель помогла разрешить многолетний спор о теплопроводности селенида меди. Термоэлектрические материалы должны хорошо проводить электричество и плохо проводить тепло, чтобы поддерживать температурные перепады, но исследователи расходились во мнении, как движение ионов меди создаёт низкую теплопроводность.
«Хотя некоторые ожидали, что диффузия ионов меди на большие расстояния или ангармонические колебания вызовут низкую теплопроводность, эти факторы вносят лишь незначительные эффекты. Вместо этого локальные колебания ионов меди внутри пирамид, которые образует вокруг них селен, являются основной причиной низкой теплопроводности материала», — сказал Эммануил Киупакис, профессор материаловедения и инженерии в Мичиганском университете и автор исследования.
Вибрации ионов меди внутри пирамиды «перезатухающие», то есть вместо формирования организованного волнообразного движения для переноса тепла их хаотичное движение рассеивает фононы, переносящие тепло.
«Эта новая вычислительная модель поможет моделировать и разрабатывать ещё более эффективные суперионные материалы для различных энергетических приложений: от бесшумных холодильников до твердотельных батарей и устройств для преобразования отработанного тепла в электричество», — сказал Пьер Фердинанд Пудеу, профессор материаловедения и инженерии в Мичиганском университете и старший автор исследования.
В исследовании также участвовала Université de Rennes.
Предоставлено:
[Колледж инженерии Мичиганского университета](https://phys.org/partners/university-of-michigan-college-of-engineering/)