En nyupptäckt kollektiv skramlande effekt i en typ av kristallin halvledare blockerar den mesta värmeöverföringen samtidigt som hög elektrisk konduktivitet bevaras - en sällsynt parning som forskare säger kan minska värmeuppbyggnaden i elektroniska enheter och turbinmotorer, bland andra möjliga tillämpningar.

Ett team som leds av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) upptäckte dessa exotiska egenskaper i en materialklass som kallas halogenidperovskiter, som också anses lovande kandidater för nästa generations solpaneler, lasrar i nanoskala, elektronisk kylning, och elektroniska displayer.

Dessa sammanhängande termiska och elektriska (eller "termoelektriska") egenskaper hittades i nanoskala trådar av cesiumtennjodid (CsSnI ₃ ). Materialet observerades ha en av de lägsta nivåerna av värmeledningsförmåga bland material med en kontinuerlig kristallin struktur.

Detta så kallade enkristallmaterial kan också lättare produceras i stora mängder än typiska termoelektriska material, såsom kisel-germanium, sa forskare.

"Dess egenskaper härrör från själva kristallstrukturen. Det är en atomisk typ av fenomen, "sa Woochul Lee, en postdoktor vid Berkeley Lab som var huvudförfattare till studien, publicerad veckan den 31 juli i Förfaranden från National Academy of Sciences tidning. Detta är de första publicerade resultaten avseende den termoelektriska prestandan hos detta enkristallsmaterial.

Forskare trodde tidigare att materialets termiska egenskaper var en produkt av "bur" -atomer som skramlade runt i materialets kristallina struktur, som hade observerats i vissa andra material. Sådan skramling kan störa värmeöverföringen i ett material.

"Vi trodde först att det var atomer av cesium, ett tungt inslag, rör sig i materialet, "sa Peidong Yang, en senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som ledde studien.

Jeffrey Grossman, en forskare vid Massachusetts Institute of Technology, utförde sedan lite teoriarbete och datoriserade simuleringar som hjälpte till att förklara vad teamet hade observerat. Forskare använde också Berkeley Labs Molecular Foundry, som specialiserat sig på nanoskala -forskning, i studien.

"Vi tror att det i grunden finns en skramlande mekanism, inte bara med cesiumet. Det är den övergripande strukturen som skramlar; det är en kollektiv skramling, "Sa Yang." Skramlande mekanism är associerad med själva kristallstrukturen, "och är inte produkten av en samling små kristallburar." Det är grupprörelser, " han lade till.

Inom materialets kristallstruktur, avståndet mellan atomer krymper och växer på ett kollektivt sätt som förhindrar att värme lätt flyter igenom.

Men eftersom materialet består av ett ordnat, enkristallstruktur, elektrisk ström kan fortfarande flöda genom den trots detta kollektiva skramlande. Föreställ dig dess elektriska konduktivitet som en ubåt som färdas smidigt i lugna undervattensströmmar, medan dess värmeledningsförmåga är som en segelbåt som slängdes omkring i tunga hav vid ytan.

Yang sa att två stora applikationer för termoelektriska material är kylning, och vid omvandling av värme till elektrisk ström. För detta speciella cesiumtennjodidmaterial, kylningstillämpningar som en beläggning för att kyla elektroniska kamerasensorer kan vara lättare att uppnå än värme-till-elektrisk omvandling, han sa.

En utmaning är att materialet är mycket reaktivt mot luft och vatten, så det kräver en skyddande beläggning eller inkapsling för att fungera i en enhet.

Cesiumtennjodid upptäcktes först som ett halvledarmaterial för decennier sedan, och bara under de senaste åren har den återuppdagats för sina andra unika egenskaper, Sa Yang. "Det visar sig vara en fantastisk guldgruva av fysiska egenskaper, "noterade han.

För att mäta materialets värmeledningsförmåga, forskare överbryggade två öar av ett förankringsmaterial med en cesiumtennjodid -nanotråd. Nanotråden var ansluten i vardera änden till mikroöar som fungerade som både värmare och termometer. Forskare värmde en av öarna och mätte exakt hur nanotråden transporterade värme till den andra ön.

De utförde också skanningselektronmikroskopi för att exakt mäta nanotrådens dimensioner. De använde dessa dimensioner för att ge ett exakt mått på materialets värmeledningsförmåga. Teamet upprepade experimentet med flera olika nanotrådsmaterial och flera nanotrådsprover för att jämföra termoelektriska egenskaper och verifiera värmekonduktivitetsmätningarna.

"Ett nästa steg är att legera detta (cesiumtennjodid) material, "Sade Lee." Detta kan förbättra de termoelektriska egenskaperna. "

Också, precis som datortillverkare implanterar en rad element i kiselskivor för att förbättra sina elektroniska egenskaper - en process som kallas "dopning" - hoppas forskare kunna använda liknande tekniker för att mer fullt ut utnyttja de termoelektriska egenskaperna hos detta halvledarmaterial. Detta är relativt outforskat territorium för denna materialklass, Sa Yang.