Värme rör sig genom atom-tunna tennplåtar på ett mycket ovanligt sätt, A*STAR -forskare har funnit. Upptäckten kan hjälpa till att utveckla applikationer för materialet, inklusive termoelektrisk kylning eller elproduktion.

Grafen, ett lager kol bara en atom tjockt, isolerades första gången 2004. Sedan dess har forskare har skapat en uppsjö av andra 2-D-analoger av grafen med olika atomer. Stanene, med sina tennatomer arrangerade i ett något korrugerat sexkantigt mönster (se bild), anlände 2015. Hangbo Zhou och kollegor vid A*STAR Institute of High Performance Computing har nu studerat hur denna kusin till grafen leder värme.

I fasta material, värme bärs i allmänhet av elektroner eller genom vibrationer mellan atomer. När dessa vibrationer rör sig genom materialet, de beter sig snarare som en partikel, känd som en fonon. Vid rumstemperatur, grafen leder mestadels värme med fononer, medan metaller till stor del förlitar sig på elektroner. Men i stanene, balansen mellan dessa två mekanismer var okänd.

A*STAR -teamet beräknade fonon- och elektronvärmeledningen i stenen vid olika temperaturer, och fann att stenen har en mycket lägre fononvärmeledning än grafen. Verkligen, vid rumstemperatur, elektronvärmeledning i stenen är ungefär densamma som dess fonongledning.

De fann också att stanene avviker från Wiedemann-Franz-lagen, som säger att elektronisk värmeledning beror på temperaturen och materialets elektriska konduktivitet. I Stanene, dock, bidraget av elektronvärmeledning till den totala värmeöverföringen beror också på materialets "kemiska potential" - ett mått på hur mycket energi som krävs för att tillsätta ytterligare en elektron till materialet. Avgörande, forskarna fann att kemisk potential också påverkar termontransport av elektroner i grafen och några andra 2-D-material.

De överraskande fynden kan göra stanen användbar i termoelektriska enheter, där en temperaturgradient skapar en spänning mellan två delar av ett material, eller tvärtom.

"Wiedemann-Franz-lagen är en av de viktigaste faktorerna som begränsar ledarnas termoelektriska effektivitet, "säger Zhou." Överträdelsen av lagen kan ge en alternativ väg för att uppnå högeffektiva termoelektriska material. "

Beräkningarna tyder på att stanens termiska transportegenskaper kan justeras genom att ändra dess kemiska potential, han lägger till, till exempel genom att lägga till spår av andra atomer.

Teamet hoppas nu kunna beräkna hur effektivt stenen kan generera termoelektrisk kraft, och storleken på spänningen som genereras av en temperaturskillnad i materialet.