Работа была опубликована онлайн 3 марта в научном журнале Applied Physics Letters – Materials. Чтобы проверить оптические характеристики и компоненты пучка, ученые XPD поместили материал на пути рентгеновского луча и попытались охарактеризовать его структуру как лучший способ определить и исправить возможные дефекты или аберрации, которые мог вызвать инструмент.
«Наши коллеги из NSLS-II вводили в эксплуатацию луч XPD, и мы обсудили лучший образец для настройки прибора, который будет легко измерить. Мы поняли, что можем использовать образец, который также представляет научный интерес.
Это была одна из первых вещей, которые были помещены в луч NSLS-II вскоре после того, как команда XPD впервые открыла заслонку », – сказал Саймон Биллиндж, физик из Брукхейвенской лаборатории, соавтор статьи. "Нам повезло. Образец дал ценную информацию, позволяющую настраивать луч, но также дал важный научный результат."
Этот результат позволил получить информацию о связи между атомной структурой диселенида рутения (RuSe2) и его термоэлектрическими свойствами. Седомир Петрович, физик из Брукхейвенской лаборатории по физике конденсированных сред, был вдохновлен на изучение диселенида из-за его тесного химического родства с диантимонидом железа, материалом, имеющим мировой рекорд по коэффициенту термоэлектрической мощности.
Термоэлектрические материалы перспективны для преобразования отработанного тепла в электричество, а также для твердотельных холодильников при работе в обратном направлении. Хорошие термоэлектрические материалы имеют высокий коэффициент мощности и низкую теплопроводность. Коэффициент мощности – это произведение термоЭДС и электропроводности.
Петрович предположил, что малоизученное соединение RuSe2 также будет обладать высокой термоэдс, и это действительно так. Но он также имел низкую электропроводность, что делало его менее чем идеальным для реальных приложений, и данные NSLS-II показали, почему.
Когда вы создаете температурный градиент по термоэлектрическим материалам – с одним концом материала более горячим, чем другой – электроны на теплом конце нагреваются и получают кинетическую энергию, в конечном итоге мигрируя к холодному концу.
Это похоже на батарею с положительным и отрицательным полюсом; поток электронов генерирует напряжение. Коэффициент мощности показывает, насколько хорошо это происходит. Если материал также хорошо проводит тепло, холодный конец нагреется, чтобы соответствовать более горячему концу, и поток прекратится. Следовательно, хороший термоэлектрический материал имеет высокий коэффициент мощности, но низкую теплопроводность.
Предположение Петровича о том, что RuSe2 будет иметь высокую термоэдс, подтвердилось, но коэффициент мощности был ограничен низкой электропроводностью материала. Милинда Абейкун, которая является частью команды XPD, выполняющей пусконаладочные работы, поместила образец этого материала в пучок, чтобы помочь команде выяснить, почему электропроводность была низкой.
Рентген показал, чем атомная структура диселенида рутения отличается от сурьмы железа. В последнем случае изобразите две пирамиды с квадратными основаниями, которые имеют общий край, образующий кристаллическую структуру. В случае диселенида рутения общие ребра имеют не основания, а вершины или углы этих структур, которые соприкасаются друг с другом.
Это небольшое изменение ориентации означает, что меньше каналов, через которые могут проходить электроны, что приводит к низкой проводимости и умеренному коэффициенту мощности, несмотря на хорошую термоЭДС.
«Теперь, когда мы это понимаем, мы исследуем способы улучшения термоэлектрических свойств RuSe2, но нам придется сосредоточиться на снижении теплопроводности, контролируя любые возникающие дефекты и не вводя примесей. Однако это нужно делать осторожно, – сказал Петрович. «Нам нужно найти способ уменьшить или исключить теплопроводность при сохранении высокой термоЭДС."
Биллинг добавляет: «Нам нужно более глубокое понимание того, как возникают термоэлектрические свойства.
Если мы сможем изучить больше новых материалов, таких как RuSe2, которые в чем-то похожи, а в других отличаются, мы сможем выявить или, по крайней мере, сузить круг вопросов, какие факторы придают материалам их хорошие термоэлектрические свойства."
XPD предназначен для исследования материалов in situ и in operando, поэтому ученые могут исследовать материалы в том виде, в каком они функционируют в реальных условиях эксплуатации.
«Мне и моей команде потребовалось много лет, чтобы превратить наши концептуальные идеи в работающий современный инструмент», – сказал Эрик Дорихи, который руководил проектированием и созданием XPD. «Тем не менее, это свидетельство самоотверженности, усилий и планирования всей команды NSLS-II – от ученых, инженеров, техников, отдела снабжения и административного персонала через многочисленные группы поддержки до специалистов, наблюдающих за нашей безопасностью. вместе так гладко. Есть некоторая магия в том, что этот процесс, длившийся десять лет, доставляет очень интенсивный и стабильный луч прямо к образцу так быстро после включения машины. Здесь есть настоящее чувство гордости за то, насколько хорошо вся эта работа окупается. Как только мы смогли безопасно стабилизировать и оптимизировать рентгеновский луч в экспериментальной конечной станции, мы не могли дождаться, чтобы протестировать инструмент с реальным образцом и увидеть, как XPD решает свой первый научный случай, который обещает стать первым из долгих. серии."
Данные для ввода в эксплуатацию были собраны, когда NSLS-II работал при кольцевом токе всего 5 мА; NSLS-II предназначен для обеспечения в 100 раз большей силы тока и сверхярких когерентных рентгеновских лучей.
«По мере увеличения мощности NSLS-II мы в конечном итоге поместим готовое работающее термоэлектрическое устройство в луч XPD и будем наблюдать, как структура меняется в ответ на изменения напряжения и температуры», – сказал Биллиндж. Это станет возможным с очень высокой яркостью луча, которая будет у нас на NSLS-II, когда у нас будут все возможности машины."