Forskare låser upp ny flexibel halvledare med atomär “vacancy engineering”

Forskare har genom att använda ”vacancy engineering” – alltså kontrollerad introduktion och hantering av atomära luckor – lyckats utveckla en ny flexibel halvledare baserad på AgCu(Te, Se, S). Materialet uppvisar både mycket god termoelektrisk effektivitet och utmärkt mekanisk flexibilitet, vilket gör det idealiskt för bärbara teknologier som omvandlar kroppsvärme till elektricitet.

Bakgrund och syfte

Forskargruppen, ledd av professor Nanhai Li vid Queensland University of Technology (QUT), har publicerat sina rön i Nature Communications. Målet var att skapa ett termoelektriskt material som kan användas i flexibla enheter – en teknisk utmaning då många högeffektiva halvledare är spröda eller svåra att bearbeta i tunna, böjbara former.

Material och tillverkningsmetod

Sammansättning: Materialet består av en kombination av silver (Ag), koppar (Cu), tellur (Te), selen (Se) och svavel (S).
Vacancy engineering: Genom att introducera luckor i Ag- och Cu-platser i kristallgittret ökade man både hålkoncentration (p-typ-ledningsförmåga) och sänkte värmeledningsförmågan.
Tillverkning: Materialet tillverkades med en smältmetod som är billig och lätt att skala upp. Designen styrdes med hjälp av beräkningar baserade på täthetsfunktionalteori (DFT).

Prestanda – Termoelektriska egenskaper

ZT-värde: Legeringen (AgCu)₀.₉₉₈Te₀.₈Se₀.₁S₀.₁ uppnådde ett figur av merit (ZT) på 0,62 vid rumstemperatur (300 K) och 0,83 vid 343 K – de bästa kända värdena för denna typ av material.
Seebeck-koefficient: Materialet bekräftades vara p-typ och visade mycket små förändringar i egenskaper efter böjtest.
Termisk konduktivitet: Luckorna fungerar som fononspridare vilket minskar värmeöverföringen – en nyckelfaktor för höga ZT-värden.

Mekaniska egenskaper

Böjbarhet: De Se- och S-berikade proverna kunde böjas upp till 10 % utan att spricka, vilket är betydligt högre än traditionella termoelektriska material.
Kompression: Materialet tål över 15 % ingenjörstömning vid kompression, vilket tyder på hög duktilitet.
Cykelstabilitet: Efter 100 böjningscykler var nedgången i elektriska egenskaper mindre än 5 %.

Praktisk demonstration

Forskarna skapade flexibla termoelektriska moduler (F-TEDs) som placerades direkt på huden och kunde omvandla kroppsvärme till elektricitet. För att skapa en komplett termoelektrisk krets användes denna p-typ tillsammans med kommersiellt tillgängligt n-typ Bi₂Te₃.