Hiệu ứng lượng tử trong nâng cao hệ số công suất nhiệt điện

0
1072

Figure: Tương tác giữa kích thước và chiều dài bước sóng nhiệt trong mô hình nhiệt điện thấp chiều. Credit: Nguyễn Tuấn Hưng

By Nguyễn Tuấn Hưng, Tohoku University, Japan

Hơn 90% năng lượng chúng ta sử dụng hằng ngày là từ các quá trình phát sinh nhiệt như động cơ ô tô, trong đó có hơn 50% năng lượng là thất thoát bởi nhiệt thải. Do đó công nghệ chuyển hoá trực tiếp nhiệt thải trở lại năng lượng (nhiệt điện) là chủ đề được thu hút bởi các nhà khoa học hiện nay. Thêm vào đó, nó cũng xuất phát từ thực tế về nhu cầu năng lượng tái chế ngày càng tăng và sự cần thiết của việc giảm hiệu ứng khí thải. Một tham số được coi là quan trọng trong việc tìm kiếm vật liệu nhiệt điện, đó là hệ số công suất PF=S^2*σ (trong đó S là hệ số Seebeck và σ là độ dẫn điện của vật liệu). Việc tìm kiếm vật liệu có PF cao là không đơn giản, bởi hệ số Seebeck và độ dẫn điện cơ bản phụ thuộc lẫn nhau. Ví dụ, vật liệu kim loại có độ dẫn điện lớn, tuy nhiên hệ số Seebeck là nhỏ, và ngược lại, vật liệu cách điện có độ dẫn điện nhỏ nhưng hệ số Seebeck lớn.

Năm 1993, Hicks – MIT đã cho thấy bằng việc giảm kích thước của vật liệu thấp chiều (nghĩa là đường kính của sợi nanô hoặc bề dày của màng mỏng) dẫn đến tính chất nhiệt điện của vật liệu được nâng cao đáng kể. Đây là một trong những nghiên cứu đột phá trong lĩnh vực nhiệt điện với hơn 2600 trích dẫn (theo Google Scholar). Tuy nhiên, hiệu ứng này chỉ được phát hiện trong một số vật liệu như Bismuth, mà đã không được phát hiện trong một số vật liệu khác như Silicon. Để làm sáng tỏ nguyên nhân này, nhóm nhiên cứu của tại trường Tohoku đã cho thấy một hiệu ứng lượng tử quan trọng trong việc nâng cao PF của mọi vật liệu bán dẫn nói chung. Trong nghiên cứu này chúng tôi đã phát triển một công thức toán học đơn giản cho PF, nhờ đó mô tả được quan hệ giữa kích thước của vật liệu thấp chiều và chiều dài bước sóng nhiệt de Broglie. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi kích thước của vật liệu nhỏ hơn chiều dài bước sóng nhiệt của vật liệu đó, hệ trở lên bất ổn nhiệt động học (hệ lượng tử) và hệ số công suất nhiệt điện được tăng đáng kể so với vật liệu khối. Qua đó cũng có thể giải thích được tại sao PF chỉ được tăng cường với một số vật liệu nhất định trong thực nghiệm. Ví dụ, chiều dài bước sóng nhiệt de Broglie của Si ~4.5 nm, do đó rất khó khăn để giảm kích thước của sợi Si nanô xuống dưới 4.5 nm trong thực nghiệm nhiệt điện. Trong khi chiều dài bước sóng nhiệt điện của Bi ~32 nm, nên dễ dàng quan sát thấy PF tăng đáng kể trong sợi Bi nanô so với vật liệu khối.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí đầu ngành vật lý Physical Review Letters [1]. Kết luận quan trọng của nghiên cứu là gợi ý các nhà thực nhiệm cần giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn chiều dài nhiệt de Broglie của vật liệu đó để thiết kế các thiết bị nhiệt điện công suất cao.

[1] N. T. Hung et al., “Quantum Effects in the Thermoelectric Power Factor of Low-Dimensional Semiconductors”, Phys. Rev. Lett. 117 (2016) 036602.
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.036602