据科学家称，进入环境而未被利用的废热占全球能源消耗损失的70%以上。在热电材料(特殊的半导体)的帮助下，散失的热量可以转化为电能。热电材料也可用于设计冷却装置，从而减少家庭和工业应用中的能源消耗。
寻找这些材料是现代材料科学的关键任务之一。来自Skoltech，伊曼纽尔生物化学物理研究所RAS以及俄罗斯和以色列的其他领先科学组织的科学家团队研究了如何在碲化铅(PbTe)中添加杂质，这是一种热电材料，可以影响其机械性能并延长热电发电机的使用寿命。这篇文章发表在《应用物理快报》上。
“亚马尔地区的天然气管道使用碲化铅，以确保传感器的运行。在那里架设输电线是不可能的，而且柴油发动机需要持续监控。取而代之的是，使用带有燃烧气体的小管来提供热量。“使用热电材料，燃烧气体产生的热量转化为电能，这足以让传感器工作，”该研究的主要作者、斯科尔特能源转换中心的高级研究科学家伊利亚·切普卡索夫(Ilya Chepkasov)说。
这种材料也有一些缺点:当它与热膨胀系数不同的材料接触时，它会变质。容易变质可能取决于掺杂，这是在半导体的晶体结构中添加杂质以改变其电性能和热电性能并使电导率可控和可预测的过程。
半导体掺杂有两种类型。n型掺杂导致以电子为主要载流子的半导体。p型掺杂产生了一种半导体，其中电荷转移的主要作用归因于所谓的“空穴”——电子退出后出现在电子键中的地方。它们带正电荷，表现得像带正电的粒子。
科学家已经证明，随着松动轨道的填满，n型PbTe中的化学键会减弱。因此，材料变得更具延展性，并且随着热膨胀，其降解的风险低于p型。
“根据掺杂类型的不同，材料的机械性能可能会以不同的方式变化。在n型PbTe中，掺杂剂浓度对其力学性能影响较小。在p型PbTe中，其硬度显著提高。我们研究了这种行为的原因，发现n型掺杂导致在松动轨道上多了一个电子。正因为如此，材料变得更有韧性。相反，p型掺杂导致更刚性的键和更脆弱的材料，”切普卡索夫补充说。
新的结果将有助于选择一种能够改善碲化铅机械性能的掺杂剂，并增加热电发电机的耐用性。这项研究是俄罗斯科学院第19-72-30043号拨款“新材料计算机设计实验室”的一部分。该项目旨在开发新的计算方法，这将大大提高计算机预测材料的能力，考虑到诸如温度和相关效应等复杂因素。
