Ett NIMS-forskarlag tog fram en ny termoelektrisk genereringsmekanism med en hybridstruktur bestående av termoelektriska och magnetiska material. Teamet tillverkade sedan faktiskt denna struktur och observerade den rekordhöga termokraften som uppträdde i riktningen vinkelrät mot en temperaturgradient (dvs. tvärgående termoelektrisk generering). Dessa resultat kan ge insikter i nya mekanismer och strukturella konstruktioner som är tillämpliga för utvecklingen av mångsidig energiskördsteknik och mycket känsliga värmeflödessensorer.

Seebeck-effekten är ett fenomen där en temperaturgradient över en metall eller halvledare omvandlas till en termoelektrisk spänning. Eftersom denna effekt kan användas för att omvandla spillvärme till elektrisk energi, dess potentiella tillämpningar (t.ex. autonoma strömkällor för IoT-enheter) har studerats omfattande. Dock, Seebeck-effektdriven termoelektrisk generering har nackdelar:en termokraft genereras längs riktningen för en temperaturgradient (d.v.s. longitudinell termoelektrisk generering). På grund av detta parallella förhållande, ett termoelektriskt material måste förlängas i riktning mot en temperaturgradient för att skapa stora temperaturskillnader och resulterande stor termoelektrisk spänning. Vidare, i konventionella Seebeck-enheter, en komplex struktur som består av en seriekoppling av många par av två olika termoelektriska material är nödvändig för att förbättra en termoelektrisk spänning. Dock, dessa arrangemang ökar produktionskostnaderna, göra materialet/strukturen mindre hållbar, och begränsa dess praktiska användbarhet. I kontrast, den anomala Nernst-effekten – ett termoelektriskt fenomen som bara förekommer i magnetiska material – kan generera en termoelektrisk spänning vinkelrätt mot riktningen för en temperaturgradient. Denna effekt kan alltså möjliggöra generering av en termokraft i en tvärgående riktning, och den termoelektriska spänningen kan förbättras helt enkelt genom att öka längden på materialet i riktningen vinkelrät mot en temperaturgradient. Tvärgående termoelektriska material förväntas ha betydligt större flexibilitet när de integreras i moduler och att kompensera för ovannämnda nackdelar relaterade till Seebeck-effekten. Dock, den anomala Nernst-effekten har visat sig generera endast en mycket liten termokraft – mindre än 10 μV/K vid nära rumstemperatur – vilket gör den praktiska tillämpningen svår.

I detta forskningsprojekt, forskargruppen utarbetade och demonstrerade en ny termoelektrisk genereringsmekanism där en longitudinell termokraft inducerad av Seebeck-effekten i ett termoelektriskt material kan omvandlas till en tvärgående termokraft i ett magnetiskt material via den anomala Hall-effekten. Teamet simulerade sedan denna mekanism baserat på fenomenologiska modellberäkningar och fann att den potentiellt kan generera mycket hög termoeffekt över 100 μV/K vinkelrätt mot riktningen för en temperaturgradient när material och strukturer är optimerade. För att experimentellt verifiera detta resultat, teamet tillverkade en hybridstruktur bestående av Co2MnGa – en magnetisk förening som kan producera den stora anomala Hall-effekten – och halvledande Si som kan producera den stora Seebeck-effekten. Denna struktur genererade rekordhöga positiva och negativa tvärgående termokrafter (+82 μV/K och -41 μV/K). Storleken och tecknet på de uppmätta termokrafterna återges väl av förutsägelsen baserad på modellberäkningarna. Den termoelektriska genereringsförmågan hos kompositen kan ytterligare förbättras genom material- och strukturoptimering.

Termokraften som observerades i detta projekt var mer än 10 gånger större än den tidigare registrerade högsta termokraften som genererades av den anomala Nernst-effekten. Detta resultat förväntas avsevärt främja FoU-insatser som syftar till att sätta tvärgående termoelektrisk produktion i praktisk användning. I framtida studier, vi planerar att forska och utveckla effektiva magnetiska och termoelektriska material, skapa kompositstrukturer med dessa material, och optimera deras strukturer. We will then use these hybrid materials to develop energy harvesting technologies capable of powering IoT devices and heat flux sensors that can be used for energy-saving purposes.

This research was published in the online version of Naturmaterial , a British scientific journal, at 1:00 am on January 19, 2021, Japan Time (4:00 pm on January 18, GMT).