Новый метод моделирования суперионных материалов открывает путь к эффективным термоэлектрическим устройствам

Юйсюань Ван, аспирант по материаловедению в Мичиганском университете и ведущий автор исследования, представляет результаты по электрическим свойствам и колебательным моделям селенида меди. Автор: Yuxuan Wang, Michigan Engineering.

Инженеры Мичиганского университета совместно с европейскими коллегами разработали новый вычислительный метод, который точно рассчитывает электронные свойства и атомные колебания в кристаллической структуре селенида меди (Cu₂Se). Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Селенид меди привлекает научный интерес своей термоэлектрической способностью преобразовывать тепло в электричество, но отсутствие понимания на атомном уровне десятилетиями ограничивало его практическое применение.

«Так много эффектов переплетены вместе, как узел, но наш новый метод разделяет каждый из них индивидуально с низкими вычислительными затратами», — сказал Юйсюань Ван.

Эти открытия помогут разработать термоэлектрические устройства, способные собирать электричество из отработанного тепла на атомных электростанциях или из выхлопных газов автомобилей. Поскольку термоэлектрики работают в обоих направлениях, селенид меди также может питать нагреватели или холодильники, которые работают эффективнее и тише традиционных систем.

Вычислительная головоломка

Селенид меди особенно сложно моделировать, потому что ионы меди являются суперионными — они перемещаются с жидкообразной подвижностью внутри твердого тела. Постоянное движение ионов меди создает динамическую, асимметричную структуру.

Локальные колебания ионов меди (синие) внутри пространства в форме пирамиды, которое образует селен (зеленый), вносят основной вклад в низкую теплопроводность материала. Автор: Wang et al. 2025

Традиционные вычислительные методы используют кристаллическую симметрию, моделируя небольшую группу атомов для предсказания структуры и свойств всего кристалла. Но мобильные ионы меди создают бесчисленные возможные атомные конфигурации, делая расчеты чрезмерно дорогими.

Моделирование подвижных атомов меди

Исследовательская группа построила новую систему для предсказания того, как атомы меди перемещаются внутри материала. Метод основан на ангармоническом специальном методе смещения (ASDM), который использует математические уравнения для предсказания расстояния и направления смещений атомов меди.

Новая квазистатическая полиморфная система правильно предсказала, что селенид меди является полупроводником, и точно воспроизвела, как запрещенная зона сужается с повышением температуры.

«В то время как некоторые ожидали, что дальняя диффузия ионов меди или ангармонические колебания вызывают низкую теплопроводность, эти факторы вносят лишь незначительные эффекты. Вместо этого локальные колебания ионов меди внутри пространств в форме пирамиды, которые образует селен вокруг них, являются основным драйвером низкой теплопроводности материала», — сказал Эммануил Киупакис, профессор материаловедения и инженерии.

Колебания иона меди внутри пирамиды являются «перезатухающими» — вместо образования организованного волнообразного движения для переноса тепла их хаотичное движение рассеивает фононы, переносящие тепло.

«Эта новая вычислительная система поможет моделировать и проектировать еще более эффективные суперионные материалы для различных энергетических применений — от бесшумных холодильников до твердотельных батарей и устройств для преобразования отработанного тепла в электричество», — сказал Пьер Фердинанд Пудеу, профессор материаловедения и инженерии.

В исследовании также участвовал Университет Ренна.

Больше информации: Yuxuan Wang et al, Efficient First-Principles Framework for Overdamped Phonon Dynamics and Anharmonic Electron-Phonon Coupling in Superionic Materials, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kgw3-cxx8