Så uppstår termoelektricitet

För att undersöka hur den termoelektriska effekten uppstår har forskare vid Linköpings universitet tillverkat ett hårt nanolaminat av titankiselkarbid. De nya kunskaperna kan användas för att skapa elektricitet från spillvärme i bilar och elektriska apparater. En gäckande fråga är varför en kristall av materialet fungerar olika bra i olika riktningar.

Ett nanolaminat är skiktat som plywood men på en skala som räknas i miljarddelar av en meter. Det aktuella materialet med den kemiska formeln Ti3SiC2 har ingen termoelektrisk effekt alls. Martin Magnuson, materialfysiker vid Linköpings universitet, och hans medarbetare har nu klarlagt orsaken. Studien publiceras i den ansedda tidskriften Physical Review B.

– Vi upptäckte att den termoelektriska effekten i vårt material har ett positivt värde i laminatplanet, men ett motsvarande negativt värde vinkelrätt mot skikten. De två effekterna tar ut varandra så att summan blir noll, säger Martin Magnuson.

Avgörande för förståelsen var undersökningar med röntgenspektroskopi vid Maxlab i Lund där forskarna kunde mäta riktningen hos de kemiska bindningarna och elektronbanorna i materialet. Kraftiga vibrationer hos kiselatomerna, med tre till fyra gånger högre frekvens vinkelrätt mot skikten än längs med skikten, visade sig ha stor betydelse för elektronernas energilägen.

Resultaten utgör experimentella bevis och förklarar varför den termoelektriska effekten för Ti3SiC2 är noll över ett stort temperaturområde. Att Ti3SiC2 har noll termoelektrisk effekt är en unik materialegenskap med många möjliga tillämpningar i elektriska apparater: temperatur-oberoende kontaktledningar och elektriska kontakter eller i termoelement för mätning av temperatur och tryck.

Omvänt kan man med denna kunskap designa nya intressanta material med stor termoelektrisk effekt för att generera elektricitet från spillvärme i fordon och elektriska apparater, energi som annars måste kylas bort. En förlust kan på det sättet vändas till en energivinst.

Principen bakom termoelektricitet är att olika temperaturer i ett material får fria laddningar – exempelvis elektroner – att vandra från varma till kalla områden. Resultatet blir en elektrisk spänning.

Artikel: Electronic-structure origin of the anisotropic thermopower of nanolaminated Ti3SiC2 determined by polarized x-ray spectroscopy and Seebeck measurements av Martin Magnuson, Maurizio Mattesini, Ngo Van Nong, Per Eklund och Lars Hultman. Phys. Rev. B 85:19, 22 maj 2012.

Kontakt:
Martin Magnuson, universitetslektor tunnfilmsfysik, 013-285716, martin.magnuson@liu.se