Hogyan javíthatjuk a termoelektromos hatékonyságot? A hőenergia hasznosítása és a jövő lehetőségei

A napenergia és a termoelektromos rendszerek fejlesztése az egyik legfontosabb kutatási terület napjainkban, mivel a világ energiaigénye folyamatosan nő, miközben a fosszilis tüzelőanyagok forrásai egyre csökkennek. Az alternatív energiaforrások kutatása elengedhetetlenné vált, különösen azokban az esetekben, amikor a megújuló energia nem közvetlenül elérhető, vagy amikor a szokásos energiatermelési módszerek nem alkalmazhatók. A termoelektromos rendszerek, amelyek képesek a hőenergiát közvetlenül elektromos energiává alakítani, hatékony és fenntartható megoldásokat kínálnak a jövő számára.

A termoelectromosság a Seebeck és Peltier jelenségeken alapul, amelyek lehetővé teszik a hőmérsékletkülönbség elektromos árammá történő átalakítását anyagokon belül. Ezen technológiák rendkívül ígéretesek, mivel nem igényelnek mozgó alkatrészeket, és így sokkal tartósabbak és megbízhatóbbak, mint a hagyományos energiaátalakító rendszerek. Az energiahatékonyság növelése érdekében a kutatók folyamatosan fejlesztenek új anyagokat és technológiákat, amelyek optimalizálják a hőenergia elektromos energiává való átalakítását.

A termoelektromos anyagok hatékonyságát az úgynevezett "termoelektromos érdemmutató" (ZT) alapján mérik, amely a Seebeck-koefficiens, az elektromos vezetőképesség és a hővezető képesség kombinációját jelzi. A ZT értéke minél magasabb, annál hatékonyabban alakítja át az anyag a hőenergiát elektromos energiává. Az optimális anyagok jellemzője, hogy magas Seebeck-koefficienssel rendelkeznek, de alacsony hővezető képességük is van, hogy minél nagyobb hőmérséklet-különbséget tartósan fenn tudjanak tartani.

A közelmúltban végzett kutatások eredményeként a termoelektromos anyagok, mint például a telluridok (PbTe, Bi2Te3), és más alternatív anyagok, mint a szulfidok (Bi2S3) és a szelenidok (PbSe), jelentős figyelmet kaptak. A tellurium alapú anyagok jelenleg a legjobbak a piacon, mivel alacsony hővezető képességük és magas Seebeck-koefficiensük van. Azonban a tellurium ritka és drága anyag, ami korlátozza a széleskörű alkalmazhatóságot, így a kutatók alternatívák után kutatnak, amelyek környezetbarátabbak és pénzügyileg is életképesebbek.

A termoelektromos hatékonyság növelése érdekében a kutatók két fő megközelítést alkalmaznak: a dopingolást és a nanostruktúrázást. A dopingolás során külső elemeket, úgynevezett dopánsokat építenek be az anyagokba, hogy módosítsák a töltéshordozók koncentrációját, ezáltal javítva az anyag vezetőképeségét és Seebeck-koefficiensét. A nanostruktúrázás során az anyag szerkezetét mikroszkopikus szinten módosítják, hogy javítsák az anyag hőmérséklet-érzékenységét és csökkentsék a hővezetést.

Fontos megérteni, hogy bár a termoelektromos technológia ígéretes, még mindig számos kihívás áll előttünk. Az anyagok előállítása, az ipari alkalmazhatóság és a gazdasági fenntarthatóság mind kulcsfontosságú tényezők, amelyek meghatározzák, hogy ez a technológia mikor válik széleskörűen elérhetővé. Ahhoz, hogy a jövőben hatékonyabban használhassuk a hőenergiát, elengedhetetlen, hogy a kutatásokat folytassuk és az új anyagok piaci bevezetésére koncentráljunk.

Hogyan használhatók a kétdimenziós félvezetők memrisztorokhoz?

A kétdimenziós félvezetők (2D-SCM-ek) egyre inkább az elektronikai és optoelektronikai eszközök kutatásának középpontjába kerülnek, különösen a memrisztorok terén. A memrisztorok olyan passzív, két állapotú eszközök, amelyek az elektromos áram változtatásával képesek megjegyezni az előző állapotokat, és így az információ tárolására alkalmasak. Az egyik legígéretesebb csoport a tranzíciós fém-dikalcogénidek (TMD-k), amelyek kivételes fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, így különféle alkalmazásokban, például memória- és érzékelő eszközökben is felhasználhatók.

A TMD-k, mint például a MoS2, WSe2, és WS2, rendkívül érdekesek a memrisztorok szempontjából. Kémiai képletük MX2, ahol M egy tranzíciós fém (például Mo, W, Hf), X pedig egy kalcogén atom (S, Se, Te). A TMD-k jellemzően szendvics szerkezetűek, ahol a M atomok két réteg X atom között helyezkednek el, erős kovalens kötésekkel összekapcsolva. A TMD-k többsége 2H fázisban létezik, ami félvezető tulajdonságokkal rendelkezik, stabil termodinamikai értelemben, és nagyban változtatható sávrését és magas hordozó mobilitást kínál.

A MoS2, a legismertebb TMD anyag, különösen figyelemre méltó a memrisztorok fejlesztésében. A MoS2 képes változó ellenállási viselkedést mutatni, ha monomolekuláris réteggel vagy több réteggel rendelkezik, amelyet különféle hibák vagy dopánsok indítanak el. Például 2015-ben Sangwan et al. bemutatták az első MoS2 alapú memrisztorokat, amelyek nem-változó ellenállásos (NVRS) viselkedést mutattak, és képesek voltak váltani a magas és alacsony ellenállású állapotok között. Ez a jelenség a kén hiányos helyei miatt lép fel, amelyek az anyag szintetikus előállítása során keletkeznek.

A MoS2 memrisztorok mellett más típusú TMD anyagok is szerepet kaptak a kutatásokban, mint például a WS2, amely jobb hőstabilitással és oxidációval szembeni ellenállással rendelkezik, mint a MoS2. A WS2 esetében az elektronikus mobilitás különösen magas, és széleskörű alkalmazásokra, például alacsony fogyasztású memrisztorok készítésére alkalmas. Ezen kívül más TMD-k, például a MoTe2 és a ReX2 alapú memrisztorok is ígéretesek. A MoTe2 például kiváló lehetőségeket kínál a fázisváltozások és az alacsony energiafogyasztású memrisztorok alkalmazásában.

Ezeket az anyagokat további módosításokkal és struktúrák kombinálásával lehet továbbfejleszteni. Például van der Waals heteroszerkezetek alkalmazása, mint a WS2/MoS2 kombináció, újabb lehetőségeket kínálhat a memrisztorok teljesítményének javítására. Az ilyen heterostruktúrák nagyobb kapcsolási ciklusokkal és hosszabb élettartammal rendelkeznek, mivel az RS viselkedés nem függ erőteljesen az anyagok feldolgozási körülményeitől, hanem inkább a hozzájuk alkalmazott feszültségektől.

A memrisztorok terén a különféle fémek és félvezető anyagok, például a MoS2 és a WS2 kombinációi számos előnyt kínálnak. Ezen anyagok alkalmazása nemcsak a memrisztorok működését, hanem a jövőbeli neuromorfikus számítástechnikai rendszerek fejlődését is támogathatja, mivel a memrisztorok képesek szimulálni az idegi plaszticitást, amely az agy tanulási és memóriafolyamatainak egyik alapja.