Kredit:Tokyo Tech
Precis som en elektrisk strömbrytare reglerar flödet av elektrisk ström, kan termiska strömbrytare styra värmeflödet. Dessa omkopplare fungerar som termiska styrenheter och är användbara för värmehanteringstillämpningar. Till exempel kan de användas i industrier för att minska spillvärme, vilket resulterar i kostnads- och energibesparingar. Dessa omkopplare kräver material vars värmeledningsförmåga (K) kan moduleras i stor utsträckning. Detta skulle tillåta omkopplaren att ha ett "på" och "av" tillstånd beroende på värmeledningsförmågan. Sådana material är dock sällsynta och utmanande att utveckla, och de som har utvecklats visar endast små reversibla variationer i deras κ.
Nu, i en studie publicerad i Advanced Electronic Materials , har forskare från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) och National Institute for Materials Science, Japan, tagit saker till nästa nivå med ett material som kan uppnå en stor variation i sitt κ genom att ändra dess kristallstrukturdimensionalitet. Teamet uppnådde denna anmärkningsvärda bedrift genom att använda en solid lösning av blyselenid (PbSe) och tennselenid (SnSe), som kan växla mellan en 3-dimensionell (3D) kubisk kristallstruktur och en 2-dimensionell (2D) skiktad kristallstruktur med förändringar i temperatur.
I fasta ämnen transporteras värme genom två olika processer, nämligen vibrationerna i det kristallina gittret och flödet av elektriska laddningsbärare. Därför beror värmeledningsförmågan hos ett fast ämne på både kristallstrukturen och den elektroniska strukturen.
I sin studie kunde forskarna få olika κ-värden i en (Pb0,5 Sn0,5 )Se legering genom att ändra kristallstrukturens dimensionalitet på grund av de olika arrangemangen av atomer och bandgap i varje kristallstruktur i förhållande till den andra. "Materialet vi valde för vår studie är bulkpolykristaller av (Pb0,5 Sn0,5 )Se, som visar en direkt fasgräns mellan 3D- och 2D-kristallstrukturerna. Vi uppnådde detta genom att termiskt släcka den fasta lösningsfasen med hög temperatur till rumstemperatur", förklarar professor Takayoshi Katase från Tokyo Tech, som var involverad i studien.
Forskarna kunde reversibelt växla mellan 3D- och 2D-kristallstrukturens dimensioner för (Pb0,5 Sn0,5 )Se polykristaller genom att helt enkelt värma och kyla materialet. I det uppvärmda tillståndet antog materialet en 3D-kristallstruktur med en metallisk elektronisk struktur, vilket resulterade i en hög elektronisk såväl som gittervärmeledningsförmåga. När den kyldes, ändrades den å andra sidan till en 2D-kristallstruktur med en halvledande elektronisk struktur och en till stor del reducerad κ. Vid en temperatur på 373 K (100°C) observerades κ för 3D-fasen vara 3,6 gånger högre än för 2D-fasen.
Detta nya tillvägagångssätt för att ändra κ skulle kunna bana väg för design av fler sådana material med potentiella tillämpningar inom värmehantering. "Vi tror att den nuvarande strategin kommer att leda till ett nytt koncept för att designa termiskt växlingsmaterial genom att ändra kristallstrukturens dimensionalitet över icke-jämviktsfasgränser", säger Prof. Katase. + Utforska vidare
