En forskargrupp från NIMS har för första gången någonsin visat att en enkel stapel av termoelektriska och magnetiska materiallager kan uppvisa en väsentligt större tvärgående termoelektrisk effekt - energiomvandling mellan elektriska strömmar och värmeströmmar som flyter ortogonalt mot varandra inom den - än befintliga magnetiska material kapabel att uppvisa den anomala Nernst-effekten. Denna mekanism kan användas för att utveckla nya typer av termoelektriska anordningar som är användbara vid energiskörd och värmeflödesavkänning.
Studien är publicerad i tidskriften Advanced Science .
Seebeck effektbaserade termoelektriska teknologier som kan omvandla spillvärme och andra värmekällor till el har undersökts mycket de senaste åren. Seebeck-effekten genererar normalt en elektrisk ström som flyter parallellt med det tillhörande värmeflödet (d.v.s. en longitudinell termoelektrisk effekt). Denna fysiska begränsning kräver att Seebeck-effektbaserade enheter har komplexa strukturer, vilket leder till minskad livslängd och ökade tillverkningskostnader.
Å andra sidan, genom att utnyttja tvärgående termoelektriska effekter som den anomala Nernst-effekten, kan termoelektriska enheter ha mycket enklare strukturer än Seebeck-effektbaserade enheter, vilket gör dem potentiellt användbara vid energiskörd och värmeflödesavkänning. Den termoelektriska omvandlingsprestandan vid rumstemperatur till följd av den onormala Nernst-effekten är för närvarande mycket låg – mindre än 10 μV elektricitet kan genereras av en temperaturskillnad på 1 K vid rumstemperatur – vilket innebär en stor nackdel.
Forskargruppen tillverkade en termoelektrisk komposit med en mycket enkel struktur - ett par termoelektriska och magnetiska materialskikt staplade tätt ovanpå varandra så att elektricitet kunde flöda över dem. Den här enheten kunde uppvisa en tvärgående termoelektrisk effekt som är betydligt större än den som produceras enbart av befintliga magnetiska material som kan uppvisa den avvikande Nernst-effekten i den första experimentella demonstrationen i sitt slag.
För att uppnå den stora tvärgående termoelektriska effekten konstruerade teamet först en teoretisk modell och uppskattade det optimala tjockleksförhållandet mellan det parade termoelektriska kiselsubstratet (Si) som kan uppvisa en stor Seebeck-effekt och den tunna magnetiska järn-gallium (Fe-Ga) legeringen filma. Teamet staplade sedan den tunna Fe-Ga-filmen ovanpå ett Si-substrat med det optimala tjockleksförhållandet. Denna komposit producerade en maximal utspänning på 15,2 μV/K – ungefär sex gånger större än den som genererades av enbart Fe-Ga-legeringen (2,4 μV/K) baserat på den anomala Nernst-effekten.
Teamet visade att en enkel skiktad struktur bestående av ett par termoelektriska och magnetiska materiallager i direkt kontakt kunde producera en betydligt större tvärgående termoelektrisk effekt än magnetiska material som kan uppvisa den onormala Nernst-effekten när de används ensamma. Denna komposit förväntas vara användbar i ett brett utbud av praktiska termoelektriska enheter.
Framöver kommer forskningen att utökas till att omfatta stora bulkmaterial som krävs för praktiska tillämpningar, som syftar till att bidra till samhällets energibesparing genom applikationer för termoelektrisk kraftgenerering.
Detta projekt genomfördes av Weinan Zhou (ICYS Research Fellow, International Center for Young Scientists, NIMS), Yuya Sakuraba (Gruppledare, Magnetic Functional Device Group, Research Center for Magnetic and Spintronic Materials (CMSM), NIMS), Ken-ichi Uchida (Distinguished Group Leader, Spin Caloritronics Group, CMSM, NIMS) och Taisuke Sasaki (Group Leader, Nanostructure Analysis Group, CMSM, NIMS).
Mer information: Weinan Zhou et al, Direktkontakt Seebeck-driven transversell magnetisk termoelektrisk generering i magnetiska/termoelektriska dubbelskikt, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202308543
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av National Institute for Materials Science
