열전 재료는 전기를 생성하기 위해 전하 캐리어 (전자 또는 구멍) 및 열 담체 (포논)의 움직임에 의존합니다. 이 전환 과정의 효율은 전기 전도성과 열전도율의 두 가지 주요 요인에 의해 결정됩니다. 이상적으로, 우수한 열전 전기 재료는 전하 수송을 용이하게하기 위해 높은 전기 전도도를 가져야하며 동시에 열 전도도를 보유하여 열 손실을 최소화해야합니다.
그러나이 균형을 달성하는 것은 어려울 수 있습니다. 대부분의 재료에서 전기 전도도를 증가 시키면 종종 열 전도도가 증가합니다. 이 트레이드 오프는 Wiedemann-Franz 법으로 알려져 있습니다.
불순물은 파논, 열 담체에 대한 추가 산란 메커니즘을 도입함으로써 이러한 상관 관계를 깨뜨릴 수 있습니다. 포논이 이러한 불순물을 만나면 그들의 움직임이 중단되어 열전도율이 줄어 듭니다. 동시에, 불순물의 존재는 전하 운반체의 수송을 용이하게하는 새로운 에너지 상태를 도입함으로써 전기 전도도를 향상시킬 수있다.
이 불순물 공학 개념은 다양한 열전 재료에서 성공적으로 입증되었습니다. 예를 들어, 널리 연구 된 재료 Bismuth Telluride (BI2TE3)에서, 셀레늄 (SE) 또는 안티몬 (SB)과 같은 소량의 불순물 도입은 열전 성능을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다.
이러한 불순물은 페르미 레벨 근처에 공진 상태를 유발하여 이용 가능한 전하 운반체의 밀도를 증가시켜 전기 전도성을 향상시킨다. 또한, 불순물은 포논을 산란시켜 열전도율을 감소시킵니다. 결과적으로, BI2TE3의 전체 열전 효율이 향상됩니다.
성공적인 불순물 공학의 또 다른 예는 텔루 라이드 (PBTE)에 ytterbium (YB) 또는 Erbium (ER)과 같은 희귀 지구 요소를 추가하는 것입니다. 이러한 불순물은 전기 전도성을 향상시키는 국소 전자 상태를 유발하는 반면, 무거운 원자 질량은 포논 산란에 기여하여 열전도율을 감소시킨다.
불순물의 유형 및 농도를 신중하게 선택하고 제어함으로써 과학자들은 원자 수준에서 열전 재료의 특성을 조정하여 전기 전도도와 열전도율 사이의 섬세한 균형을 달성 할 수 있습니다. 이 접근법은 폐 열 회수 및 휴대용 전력 생성과 같은 효율적인 에너지 전환 응용을위한 고성능 열전 재료의 개발에 대한 큰 약속을 가지고 있습니다.
결론적으로, 종종 해로운 것으로 인식되는 불순물은 열전 재료와 관련하여 실제로 유리할 수 있습니다. 원자 수준에서 특정 불순물을 도입함으로써 과학자들은 전기 전도성을 향상시키는 동시에 열 전도도를 감소시켜 궁극적으로 이들 재료의 전체 열전 효율을 향상시킬 수 있습니다. 이 불순물 공학 개념은 차세대 열전 장치의 설계 및 최적화를위한 흥미로운 길을 열어줍니다.
