Enestående stor tværgående termoelektrisk effekt frembragt ved at kombinere termoelektriske og magnetiske materialer

Et NIMS-forskerhold har for første gang nogensinde demonstreret, at en simpel stak af termoelektriske og magnetiske materialelag kan udvise en væsentligt større tværgående termoelektrisk effekt - energiomdannelse mellem elektriske strømme og varmestrømme, der strømmer ortogonalt i forhold til hinanden inden i den - end eksisterende magnetiske materialer i stand til at udvise den unormale Nernst-effekt. Denne mekanisme kan bruges til at udvikle nye typer termoelektriske enheder, der er nyttige til energihøst og varmefluxføling.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Advanced Science .

Seebeck effektbaserede termoelektriske teknologier, der er i stand til at omdanne spildvarme og andre varmekilder til elektricitet, er blevet grundigt undersøgt i de senere år. Seebeck-effekten genererer normalt en elektrisk strøm, der løber parallelt med den tilhørende varmestrøm (dvs. en langsgående termoelektrisk effekt). Denne fysiske begrænsning kræver, at Seebeck-effektbaserede enheder har komplekse strukturer, hvilket fører til reduceret levetid og øgede produktionsomkostninger.

På den anden side, ved at udnytte tværgående termoelektriske effekter såsom den unormale Nernst-effekt, kan termoelektriske enheder have meget enklere strukturer end Seebeck-effektbaserede enheder, hvilket gør dem potentielt nyttige til energihøst og varmefluxføling. Imidlertid er den termoelektriske konverteringsydelse ved stuetemperatur, der er et resultat af den unormale Nernst-effekt, i øjeblikket meget lav - mindre end 10 μV elektricitet kan genereres af en temperaturforskel på 1 K ved stuetemperatur - hvilket er en stor ulempe.

Forskerholdet fremstillede en termoelektrisk komposit med en meget enkel struktur - et par termoelektriske og magnetiske materialelag stablet tæt ovenpå hinanden, så elektricitet kunne flyde hen over dem. Denne enhed var i stand til at udvise en tværgående termoelektrisk effekt, der var betydeligt større end den, der produceres udelukkende af eksisterende magnetiske materialer, der er i stand til at udvise den unormale Nernst-effekt i den første eksperimentelle demonstration af sin art.

For at opnå den store tværgående termoelektriske effekt konstruerede holdet først en teoretisk model og estimerede det optimale tykkelsesforhold mellem det parrede termoelektriske silicium (Si) substrat, der er i stand til at udvise en stor Seebeck-effekt og den tynde magnetiske jern-gallium (Fe-Ga) legering film. Holdet stablede derefter den tynde Fe-Ga-film oven på et Si-substrat med det optimale tykkelsesforhold. Denne komposit producerede en maksimal udgangsspænding på 15,2 μV/K - ca. seks gange større end den, der genereres af Fe-Ga-legeringen alene (2,4 μV/K) baseret på den unormale Nernst-effekt.

Holdet demonstrerede, at en simpel lagdelt struktur bestående af et par termoelektriske og magnetiske materialelag i direkte kontakt var i stand til at producere en betydeligt større tværgående termoelektrisk effekt end magnetiske materialer, der er i stand til at udvise den unormale Nernst-effekt, når de bruges alene. Denne komposit forventes at være anvendelig i en lang række praktiske termoelektriske enheder.

Fremover vil forskningen blive udvidet til at omfatte store bulkmaterialer, der kræves til praktiske anvendelser, med det formål at bidrage til samfundets energibesparelse gennem termoelektriske energigenereringsenheder.

Dette projekt blev udført af Weinan Zhou (ICYS Research Fellow, International Center for Young Scientists, NIMS), Yuya Sakuraba (Group Leader, Magnetic Functional Device Group, Research Center for Magnetic and Spintronic Materials (CMSM), NIMS), Ken-ichi Uchida (Distinguished Group Leader, Spin Caloritronics Group, CMSM, NIMS) og Taisuke Sasaki (Group Leader, Nanostructure Analysis Group, CMSM, NIMS).

Flere oplysninger: Weinan Zhou et al., Direct-Contact Seebeck-Driven Transverse Magneto-Thermoelectric Generation in Magnetic/Thermoelectric Bilayers, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202308543

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af National Institute for Materials Science