Termoelektriska material kommer att möjliggöra effektiv omvandling av industriell värme till elektricitet. Men för att skapa effektiva termoelektriska material, deras underliggande fysik måste förstås väl. Kredit:Macrovector på Freepik
Termoelektriska material, som kan generera en elektrisk spänning i närvaro av en temperaturskillnad, är för närvarande ett område för intensiv forskning; Teknik för termoelektrisk energiskörd är bland våra bästa möjligheter att avsevärt minska användningen av fossila bränslen och hjälpa till att förhindra en världsomspännande energikris. Dock, det finns olika typer av termoelektriska mekanismer, av vilka några är mindre förstådda trots senaste ansträngningar. En nyligen genomförd studie från forskare i Korea syftar till att fylla en sådan kunskapslucka.
En av dessa mekanismer som nämnts tidigare är spin Seebeck-effekten (SSE), som upptäcktes 2008 av en forskargrupp ledd av professor Eiji Saitoh från Tokyo University, Japan. SSE är ett fenomen där en temperaturskillnad mellan ett omagnetiskt och ett ferromagnetiskt material skapar ett flöde av spinn. För termoelektrisk energiskörd, den omvända SSE är särskilt viktig. I vissa heterostrukturer, såsom yttriumjärngranat – platina (YIG/Pt), spinnflödet som genereras av en temperaturskillnad omvandlas till en ström med en elektrisk laddning, erbjuder ett sätt att generera elektricitet från den omvända SSE.
Eftersom denna spin-till-laddning-omvandling är relativt ineffektiv i de flesta kända material, forskare har försökt infoga ett atomärt tunt lager av molybdendisulfid (MoS 2 ) mellan YIG- och Pt-skikten. Även om detta tillvägagångssätt har resulterat i förbättrad konvertering, de underliggande mekanismerna bakom rollen för 2-D MoS 2 lager i spinntransporten förblir svårfångade.
För att ta itu med denna kunskapsklyfta, Professor Sang-Kwon Lee vid institutionen för fysik vid Chung-Ang University, Korea, har nyligen lett en fördjupad studie i ämnet, som har publicerats i Nanobokstäver . Olika kollegor från Chung-Ang University deltog, liksom professor Saitoh, i ett försök att förstå effekten av 2-D MoS 2 på den termoelektriska effekten av YIG/Pt.
För detta ändamål, forskarna förberedde två YIG/MoS 2 /Pt-prover med olika morfologier i MoS 2 lager, samt ett referensprov utan MoS 2 sammanlagt. De förberedde en mätplattform där en temperaturgradient kan upprätthållas, ett pålagt magnetfält, och spänningsskillnaden orsakad av det efterföljande spinnflödet som övervakas. Intressant, de fann att den omvända SSE, och i sin tur den termoelektriska prestandan för hela heterostrukturen, kan antingen förbättras eller förminskas beroende på storleken och typen av MoS 2 Begagnade. Särskilt, använder en hålig MoS 2 flerskikt mellan YIG- och Pt-skikten gav en 60% ökning av termoelektrisk effekt jämfört med YIG/Pt enbart.
Genom noggranna teoretiska och experimentella analyser, forskarna fastställde att denna markanta ökning orsakades av främjandet av två oberoende kvantfenomen som, tillsammans, står för den totala inversa SSE. Dessa kallas den omvända spinn Hall-effekten, och den omvända Rashba-Edelstein-effekten, som båda producerar en spinnackumulering som sedan omvandlas till en laddningsström. Dessutom, de undersökte hur hålen och defekterna i MoS 2 skiktet förändrade de magnetiska egenskaperna hos heterostrukturen, vilket leder till en gynnsam förstärkning av den termoelektriska effekten. Spännande över resultatet, Lee anmärker:"Vår studie är den första som bevisar att de magnetiska egenskaperna hos gränssnittslagret orsakar spinnfluktuationer vid gränssnittet och i slutändan ökar spinnackumuleringen, vilket leder till en högre spänning och termokraft från den omvända SSE."
Resultaten av detta arbete representerar en avgörande bit i pusslet för termoelektrisk materialteknologi och kan snart få verkliga konsekvenser, som Lee förklarar:"Våra fynd avslöjar viktiga möjligheter för skördare av termoelektrisk energi med stora ytor med mellanskikt i YIG/Pt-systemet. De ger också viktig information för att förstå fysiken för den kombinerade Rashba-Edelstein-effekten och SSE vid spinntransport." Han tillägger att deras SSE-mätplattform kan vara till stor hjälp för att undersöka andra typer av kvanttransportfenomen, som de daldrivna Hall- och Nernst-effekterna.
Låt oss hoppas att termoelektrisk teknik utvecklas snabbt så att vi kan förverkliga våra drömmar om ett mer miljövänligt samhälle!
