Слоистый кристалл TlFe1.6Se2 пробивает стену в термоэлектрике бросового тепла

Заводы, электростанции, автомобили, серверные фермы — все они производят огромное количество тепла, которое просто рассеивается в атмосферу. Термоэлектрические устройства могут преобразовывать этот тепловой поток в электричество напрямую, без движущихся частей. Проблема — материалы: чтобы устройство работало эффективно, нужен материал, который одновременно хорошо проводит электрический ток (как металл) и плохо проводит тепло (как стекло). Эти два свойства обычно идут рука об руку и исключают друг друга — классический компромисс термоэлектрики.

Команда под руководством профессора Такаёси Катасэ из Токийского научного университета (Science Tokyo) нашла способ обойти это противоречие. Исследование опубликовано в *Journal of Materials Chemistry A*.

Что внутри кристалла TlFe1.6Se2

Идея возникла из неожиданного источника: атомарно тонкие плёнки железного селенида (FeSe) — сверхпроводника на основе железа — в ультратонкой форме показывают исключительно высокий термоэлектрический коэффициент мощности. Проблема: этот эффект проявляется только в нанопленках, а в объёмном FeSe теряется, плюс теплопроводность у него слишком высокая.

Решение команды Катасэ: не пытаться работать с нанопленкой, а «встроить» слои атомарно тонкого FeSe в объёмный кристалл с помощью тяжёлого металла — таллия (Tl). Получившийся кристалл TlFe1.6Se2 содержит атомарно тонкие слои FeSe, периодически вложенные в матрицу, при этом в структуре кристалла упорядоченно расположены вакансии железа.

Два источника эффективности

Кристалл одновременно реализует два принципа улучшения:

**Высокая мощность.** Встроенные FeSe-слои воспроизводят квантовые электронные свойства ультратонких плёнок — коэффициент Зеебека (характеристика термоэлектрического отклика) превышает 100 мкВ/К в упорядоченной фазе при комнатной температуре, что примерно в пять раз лучше, чем у разупорядоченной фазы того же материала.

**Низкая теплопроводность.** Вакансии железа создают точечные дефекты, рассеивающие тепловые фононы. Тяжёлые атомы таллия замедляют фононы дополнительно. При ~180°C кристалл претерпевает обратимый фазовый переход, дополнительно усиливающий рассеяние тепла. Итоговая теплопроводность ~0,2 Вт/(м·К) — на уровне или ниже лучших коммерческих термоэлектрических материалов.

Перспективы

Читайте также по теме: новых технологиях света и материалов.

Команда считает, что этот подход масштабируем на родственные соединения с калием, рубидием и цезием — все они содержат FeSe-слои и регулируемое количество вакансий железа. Практический рубеж — создание модульных термоэлектрических генераторов для утилизации промышленного тепла — остаётся впереди, но материальная база теперь значительно расширена.