En svepelektronmikroskopbild visar en nanotråd av enkristall guld på ett termiskt oxidsubstrat. Rice University forskare visade att spänningar och defekter i materialet kan förändra dess termoelektriska respons. Kredit:Natelson Research Group/Rice University
Även om de olympiska sommarspelen sköts upp, det finns åtminstone ett ställe att se smidiga häcklöpare gå för guldet.
Du behöver bara ett sätt att se dessa elektronspel.
Genom att använda ett nytt optiskt detektionssystem, forskare vid Rice University fann att elektricitet som genereras av temperaturskillnader inte verkar påverkas mätbart av korngränser placerade i dess väg i guldtrådar i nanoskala, medan töjning och andra defekter i materialet kan förändra denna "termoelektriska" respons.
Fenomenet skulle kunna göra det möjligt att upptäcka kristallina defekter i ledande material som är svåra att upptäcka och karakterisera med även de mest avancerade mikroskopiska metoderna.
Resultatet var en överraskning för forskare under ledning av risfysikern Doug Natelson och doktoralumnen Charlotte Evans, nu en stabsforskare vid Sandia National Laboratories, som följde förklaringen efter att ha sett mätningar som de inte kunde förklara för några år sedan.
"Många gånger, människor tänker på den termoelektriska effekten när de bygger solpaneler eller genererar ström från det eller det, " sa Evans. "Vi hävdar istället att den termoelektriska effekten är ett riktigt intressant diagnostiskt verktyg."
Rice Universitys optiska detektionssystem avslöjar små strukturella defekter i en guld nanotråd som kan tyckas vara en perfekt kristall under ett svepelektronmikroskop. Upptäckten har konsekvenser för att göra bättre elektroniska tunnfilmsenheter. Kredit:Charlotte Evans/Rice University
Studien visas i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Korngränser är planen i material där felinriktade kristaller möts, tvingar atomer längs kanten att anpassa sig när de binder till sina grannar. Mätningar i bi-kristall guld nanotrådar producerade av gruppen av Stanford Universitys elektriska ingenjör och medförfattare Jonathan Fan visade ingen detekterbar effekt på termoelektriska spänningar vid korngränsen - elektronerna i metallen ignorerade helt enkelt enkelkornsgränsen.
Temperaturskillnader i ledare skapar termoelektricitet genom Seebeck-effekten, en typ av termoelektrisk effekt. Denna effekt används vanligtvis för att mäta temperaturskillnader och för att styra termostater. Natelson-labbet utlöste Seebeck-effekten genom att värma en del av Fans ledningar med en hårt kontrollerad laser, driver elektroner att flytta från den varma platsen till kallare områden, och producerade en spänning som skulle mätas. Ingen mätbar förändring i spänningen sågs när lasern flyttades över korngränsen i bikristallerna.
När lasern flyttades över delar av samma ledningar som deformerades, med förvrängningar i kristallgittret genom hela tråden, förändringar i spänningen blev uppenbara, sa Natelson. Att glödga de förvrängda enheterna läkte delvis defekterna, vilket resulterar i tydliga förändringar i den termoelektriska strömmen.
"Det finns en gemenskap av människor som leker med att förbättra termoelektrisk respons, ", sa Natelson. "De måste vara medvetna om att strukturella problem som mycket små snedvridningar av gallret har effekter som inte nödvändigtvis är små. Människor tenderar att ignorera dessa små strukturella problem, men när du gör tunnfilmsenheter, det finns inbakad stress och påfrestning i materialet, bara på grund av sättet det är gjort."
Med hjälp av ett nytt optiskt detektionssystem som värmer guldtrådar i nanoskala med en enda laser, forskare vid Rice University visade att el som genereras av temperaturskillnader inte påverkas mätbart av korngränser, medan töjning och andra defekter i materialet ändrar det termoelektriska svaret. Kredit:Natelson Research Group/Rice University
Evans sa att kristaller i nanoskala ofta karakteriseras via elektronbackscatter-diffraktion (EBSD), en dyr och tidskrävande process. "Fördelen med vår process är dess enkelhet, " sa hon. "Vi använder en stor punktstorlek från en laser, två mikron, som är mycket större än storleken på en e-beam, och vi kan upptäcka variationer med bara en inlåsningsteknik, en skanningslaser och en spänningsförstärkare.
"Om du tittar på vanliga EBSD-data, det ser ut som om du har en orörd kristall, ", sa hon. "Och det är inte förrän du efterbehandlar data och tittar på hur varje pixel varierar från nästa som du skulle se små förvrängningar längs trådens längd. Det är komplicerat att upptäcka. Det är därför det är så anmärkningsvärt att vi kunde upptäcka dessa små variationer med en laser."
"Så om du vill göra något smart och utnyttja den termoelektriska responsen, du måste förstå enheterna du gör med standard, top-down tillverkningsmetoder, " Natelson sa. "Stressen och påfrestningarna och vad som verkade vara mindre strukturella brister kan ha en lätt upptäckbar påverkan."
