Termoelektriska system är ett grönt och hållbart sätt att skörda energi från all form av värme som annars skulle gå till spillo. Kärnan i denna energiomvandlingsprocess är den så kallade Seebeck-effekten, som beskriver spänningen som byggs upp på ett material som utsätts för en temperaturskillnad.
Trots mer än 100 år av intensiv forskning är termoelektrisk effektivitet fortfarande lägre än för konventionella värmemotorer, vilket gör termoelektrik endast lämplig för nischapplikationer.
Det är därför en av forskarnas huvudsträvanden idag är att hitta nya strategier för att förbättra denna effektivitet. Vår senaste artikel "Impact of spin-entropy on the thermoelectric properties of a 2D magnet", publicerad i Nano Letters , visar att en lösning kan ligga i kretsar baserade på tvådimensionella (2D) magnetiska lager.
Termoelektriska egenskaper påverkas avsevärt av entropi, som kvantifierar störningen i ett system. Därför kan alla mekanismer som ökar sådana parametrar förbättra omvandlingseffektiviteten för energiskördsanordningen.
I magnetiska 2D-material kan ytterligare två faktorer förändra entropin:den magnetiska ordningen, som genererar ett "spin-entropi"-bidrag, och antalet lager som en laddningsbärare kan komma åt i ett 2D-skiktat material, vilket ger en ytterligare "lagerentropi". "
I vår artikel mäts de elektriska och termoelektriska transportegenskaperna hos 2D-antiferromagneten CrSBr, samtidigt som den magnetiska ordningen för materialet ändras genom att variera provtemperaturen eller genom att applicera ett externt magnetfält. Studien rapporterar att det termoelektriska svaret ökar med temperaturen när elektroner och spinn mobiliserar och når ett lokalt maximum runt den magnetiska fasövergångstemperaturen Néel.
Dessutom har det visat sig att ett magnetfält kan öka den termoelektriska effektfaktorn med upp till 600 % vid låga temperaturer. Dessa fenomen förklaras av samspelet mellan de olika entropibidragen i materialet och framhäver den starka inverkan som magnetisk ordning har på den termoelektriska responsen hos 2D-magneter.
Resultaten som vi rapporterar visar hur användningen av magneter kan övervinna gränserna för konventionella energiskördande anordningar, eftersom deras termoelektriska egenskaper kan optimeras genom att ändra den magnetiska fasen och därför justera effekten av spin-entropin.
Dessutom låser användningen av 2D-material upp ytterligare frihetsgrader, som möjligheten att justera övergångstemperaturen med hjälp av flera faktorer - dvs filmtjocklek, sammansättning, elektrostatisk grind - vilket kan göra det möjligt att maximera deras termoelektriska prestanda vid rumstemperatur. Alla dessa fynd representerar den första byggstenen i ett nytt sätt att designa effektivare energiskördare.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om Science X Dialog och hur du deltar.
Mer information: Alessandra Canetta et al, Impact of Spin-Entropy on the Thermoelectric Properties of a 2D Magnet, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00809
Journalinformation: Nanobokstäver
Alessandra Canetta är tredje året doktorand vid UCLouvain (Belgien), under ledning av prof. Pascal Gehring. Canettas doktorandprojekt fokuserar på undersökningen av de termiska och termoelektriska egenskaperna hos 2D-material, i synnerhet 2D-magneter.
