По оценкам учёных, на отработанное тепло, которое попадает в окружающую среду и не используется, приходится более 70% потерь глобального потребления энергии. С помощью термоэлектрических материалов — особых полупроводников — рассеиваемое тепло можно преобразовывать в электроэнергию. Это позволяет использовать тепло, выделяемое при сгорании топлива, для генерации электричества. Также термоэлектрики могут использоваться для создания устройств охлаждения, что помогает снизить потребление энергии в бытовых и промышленных приложениях.

Одной из главных задач современного материаловедения является поиск таких материалов. Коллектив учёных из Сколтеха, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН, а также других ведущих научных организаций России и Израиля изучил, как добавление примесей в термоэлектрический материал теллурид свинца может повлиять на его механические свойства и продлить срок службы термоэлектрического генератора. Работа опубликована в журнале Applied Physics Letters.

«Теллурид свинца применяется на газопроводах на Ямале, чтобы обеспечить работу различных датчиков. Провести линии электропередачи туда невозможно, а за дизельными двигателями нужно постоянно следить. Поэтому от газопровода отводят небольшие трубки, в которых горит газ. С помощью термоэлектрического материала тепло от горящего газа преобразуется в электроэнергию, которой достаточно, чтобы работали датчики», — поделился первый автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу в Сколтехе.

У материала есть и недостатки: он может разрушаться на контакте с материалами, имеющими другой коэффициент теплового расширения. Лёгкость разрушения может зависеть от легирования — это процесс добавления примесей в кристаллическую структуру полупроводника для изменения его электрических и термоэлектрических свойств и создания управляемой и предсказуемой проводимости. Есть два вида легирования полупроводников. Легирование n-типа приводит к получению полупроводника, в котором основными носителями заряда являются электроны. Результатом легирования p-типа является полупроводник, где основную роль в передаче заряда выполняют так называемые «дырки» — места, которые образуются в электронной связи после выхода электрона, имеют положительный заряд и ведут себя как положительные частицы.

Учёные показали, что в n-типе химическая связь в материале ослабевает за счёт заполнения разрыхляющих орбиталей. Это приводит к тому, что материал становится более пластичным и при термическом расширении вероятность его деградации ниже, чем в p-типе. 

«В зависимости от типа допирования механические свойства материала могут изменяться по-разному. В n-типе механические свойства незначительно зависят от концентрации допантов. В p-типе наблюдается значительный рост твердости материала. Мы изучили причину такого поведения и обнаружили, что в результате допирования n-типа на разрыхляющей орбитали появляется лишний электрон. Из-за этого материал становится более пластичным. А при допировании p-типа наоборот — связь становится более жёсткой, а материал более хрупким», — продолжил Илья Чепкасов.

Новые результаты помогут подобрать такой допант, который позволит улучшить механические свойства теллурида свинца и увеличить долговечность термоэлектрического генератора. Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 19-72-30043 «Лаборатория компьютерного дизайна новых материалов». Проект нацелен на развитие новых вычислительных методов, которые значительно усилят возможности компьютерного предсказания материалов, учитывая такие «сложные» факторы как температурные и корреляционные эффекты.

В работе над исследованием также приняли участие учёные Александр Квашнин, Александра Радина, Никита Мацонин, Фаридун Чалолов, Артём Оганов и их коллеги из других организаций.