Forskere opdager unikke termoelektriske egenskaber i cæsiumtiniodid

En nyligt opdaget kollektiv raslende effekt i en type krystallinsk halvleder blokerer det meste af varmeoverførslen, samtidig med at høj elektrisk ledningsevne bevares - en sjælden parring, som forskerne siger, kunne reducere varmeopbygning i elektroniske enheder og turbinemotorer, blandt andre mulige anvendelser.

Et hold ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) opdagede disse eksotiske egenskaber i en klasse af materialer kendt som halogenidperovskitter, som også betragtes som lovende kandidater til næste generations solpaneler, nanoskala lasere, elektronisk køling, og elektroniske displays.

Disse indbyrdes forbundne termiske og elektriske (eller "termoelektriske") egenskaber blev fundet i nanoskala ledninger af cæsiumtiniodid (CsSnI) ₃ ). Materialet blev observeret at have et af de laveste niveauer af varmeledningsevne blandt materialer med en kontinuerlig krystallinsk struktur.

Dette såkaldte enkeltkrystalmateriale kan også lettere fremstilles i store mængder end typiske termoelektriske materialer, såsom silicium-germanium, sagde forskere.

"Dets egenskaber stammer fra selve krystalstrukturen. Det er et atomart fænomen, " sagde Woochul Lee, en postdoktor ved Berkeley Lab, der var hovedforfatter af undersøgelsen, udgivet i ugen den 31. juli i Proceedings of the National Academy of Sciences tidsskrift. Dette er de første offentliggjorte resultater vedrørende den termoelektriske ydeevne af dette enkeltkrystalmateriale.

Forskere troede tidligere, at materialets termiske egenskaber var produktet af "indkapslede" atomer, der raslede rundt i materialets krystallinske struktur, som var blevet observeret i nogle andre materialer. Sådan raslen kan tjene til at forstyrre varmeoverførslen i et materiale.

"Vi troede oprindeligt, at det var atomer af cæsium, et tungt element, bevæger sig rundt i materialet, " sagde Peidong Yang, en senior videnskabsmand ved Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede undersøgelsen.

Jeffrey Grossman, en forsker ved Massachusetts Institute of Technology, udførte derefter noget teoriarbejde og computersimuleringer, der hjalp med at forklare, hvad holdet havde observeret. Forskere brugte også Berkeley Labs Molecular Foundry, som har specialiseret sig i forskning i nanoskala, i undersøgelsen.

"Vi tror på, at der i bund og grund er en raslende mekanisme, ikke kun med cæsium. Det er den overordnede struktur, der rasler; det er en kollektiv raslen, " sagde Yang. "Ramlemekanismen er forbundet med selve krystalstrukturen, " og er ikke produktet af en samling af bittesmå krystalbure. "Det er gruppe atombevægelse, " han tilføjede.

Inden for materialets krystalstruktur, afstanden mellem atomer krymper og vokser på en kollektiv måde, der forhindrer varme i let at strømme igennem.

Men fordi materialet er sammensat af en ordnet, enkelt-krystal struktur, elektrisk strøm kan stadig løbe igennem den på trods af denne kollektive raslen. Forestil dig, at dens elektriske ledningsevne er som en ubåd, der bevæger sig jævnt i rolige undervandsstrømme, mens dens varmeledningsevne er som en sejlbåd, der slynges rundt i tung sø ved overfladen.

Yang sagde, at to store applikationer til termoelektriske materialer er inden for køling, og ved at omdanne varme til elektrisk strøm. For dette særlige cæsiumtiniodidmateriale, køleapplikationer såsom en belægning, der hjælper med at afkøle elektroniske kamerasensorer, kan være lettere at opnå end varme-til-elektrisk konvertering, han sagde.

En udfordring er, at materialet er meget reaktivt over for luft og vand, så det kræver en beskyttende belægning eller indkapsling for at fungere i en enhed.

Cæsiumtiniodid blev først opdaget som et halvledermateriale for årtier siden, og først i de senere år er den blevet genopdaget for sine andre unikke træk, sagde Yang. "Det viser sig at være en fantastisk guldmine af fysiske egenskaber, " bemærkede han.

For at måle materialets varmeledningsevne, forskere slog bro mellem to øer af et forankringsmateriale med en cæsiumtiniodid nanotråd. Nanotråden var forbundet i hver ende til mikro-øer, der fungerede som både varmelegeme og termometer. Forskere opvarmede en af ​​øerne og målte præcist, hvordan nanotråden transporterede varme til den anden ø.

De udførte også scanningselektronmikroskopi for præcist at måle dimensionerne af nanotråden. De brugte disse dimensioner til at give et præcist mål for materialets varmeledningsevne. Holdet gentog eksperimentet med flere forskellige nanotrådmaterialer og flere nanotrådsprøver for at sammenligne termoelektriske egenskaber og verificere målingerne af termisk ledningsevne.

"Et næste skridt er at legere dette (cæsiumtinjodid) materiale, " sagde Lee. "Dette kan forbedre de termoelektriske egenskaber."

Også, ligesom computerchipproducenter implanterer en række elementer i siliciumwafers for at forbedre deres elektroniske egenskaber - en proces kendt som "doping" - håber videnskabsmænd at bruge lignende teknikker til mere fuldt ud at udnytte de termoelektriske egenskaber ved dette halvledermateriale. Dette er relativt uudforsket område for denne klasse af materialer, sagde Yang.