Физики обнаружили пластики-полуметаллы
Распределение электронных уровней в металлах, полуметаллах, полупроводниках разных типов и изоляторах. Изображение: Nanite
Органические углеродные пластики могут обладать свойствами полуметаллов и выступать в роли перспективных термоэлектриков, — устройств, преобразующих тепло в электричество. Открытие шведского физика Ольги Бубновой и ее коллег из нескольких стран Европы и Австралии было опубликовано в журнале Nature Materials, кратко о нем можно прочитать на сайте Университета Линчёпинга.
В физике твердого тела полуметаллы — это вещества, промежуточные между металлами и полупроводниками. Подобно металлам, энергетические уровни их электронов не имеют запрещенной зоны, поэтому они проводят ток даже при абсолютном нуле. При этом полуметаллы имеют очень узкую зону между валентными и проводящими энергетическими уровнями электронов, благодаря чему с повышением температуры их проводимость не падает, а растет. По словам физиков, сочетание этих качеств делает полуметаллы перспективными термоэлектронами.
Авторы новой работы показали, что некоторые образцы пластиков на основе поли-(3,4-этилендиокситиофена) за счет упорядочивания внутренней организации молекул превращаются в полуметаллы. При этом значительно повышается их термоэлектрический коэффициент, то есть возрастает электрическое напряжение на концах материала с разной температурой. Потенциально, такой пластик можно использовать как дешевый, простой и экологичный генератор электричества из тепла.
Термоэлектрики, то есть устройства, преобразующие градиент температуры в градиент потенциала, должны обладать противоположными свойствами: они должны как можно лучше проводить электричество и как можно хуже — тепло. Как показали недавние работы другой группы, добиться сочетания этих свойств можно с помощью придания материалу специальной микроструктуры с трещинами, которые задерживают перенос тепла, но не препятствуют переносу заряда.