Styring af varmeflow i et fast stof ved at skifte krystalstrukturdimensionalitet

Ligesom en elektrisk afbryder regulerer strømmen af ​​elektrisk strøm, kan termoafbrydere styre varmestrømmen. Disse kontakter tjener som termiske kontrolenheder og er nyttige til termiske styringsapplikationer. For eksempel kan de bruges i industrier til at reducere spildvarme, hvilket resulterer i omkostnings- og energibesparelser. Disse kontakter kræver materialer, hvis termiske ledningsevne (κ) kan moduleres i vid udstrækning. Dette ville gøre det muligt for kontakten at have en "on" og "off" tilstand afhængigt af den termiske ledningsevne. Sådanne materialer er imidlertid sjældne og udfordrende at udvikle, og de, der er blevet udviklet, viser kun små reversible variationer i deres κ.

Nu i en undersøgelse offentliggjort i Advanced Electronic Materials , forskere fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) og National Institute for Materials Science, Japan, har taget tingene til næste niveau med et materiale, der kan opnå en stor variation i sit κ ved at ændre sin krystalstrukturs dimensionalitet. Holdet opnåede denne bemærkelsesværdige bedrift ved at bruge en solid opløsning af blyselenid (PbSe) og tinselenid (SnSe), som kan skifte mellem en 3-dimensionel (3D) kubisk krystalstruktur og en 2-dimensionel (2D) lagdelt krystalstruktur med ændringer i temperatur.

I faste stoffer transporteres varme ved to forskellige processer, nemlig vibrationerne i det krystallinske gitter og strømmen af ​​elektriske ladningsbærere. Derfor afhænger den termiske ledningsevne af et fast stof af både krystalstrukturen og elektronisk struktur.

I deres undersøgelse var forskerne i stand til at opnå forskellige κ-værdier i en (Pb_0,5 Sn_0,5 )Se legering ved at ændre krystalstrukturens dimensionalitet på grund af de forskellige arrangementer af atomer og båndgab i hver krystalstruktur i forhold til den anden. "Det materiale, vi valgte til vores undersøgelse, er bulk polykrystaller af (Pb_0,5 Sn_0,5 )Se, som viser en direkte fasegrænse mellem 3D- og 2D-krystalstrukturerne. Vi opnåede dette ved termisk at bratkøle den faste opløsningsfase med høj temperatur til stuetemperatur," forklarer professor Takayoshi Katase fra Tokyo Tech, som var involveret i undersøgelsen.

Forskerne kunne reversibelt skifte mellem 3D- og 2D-krystalstrukturdimensionaliteterne af (Pb_0,5 Sn_0,5 )Se polykrystaller ved blot at opvarme og afkøle materialet. I opvarmet tilstand antog materialet en 3D krystalstruktur med en metallisk elektronisk struktur, hvilket resulterede i en høj elektronisk såvel som gitter termisk ledningsevne. Når den blev afkølet, ændrede den sig derimod til en 2D krystalstruktur med en halvledende elektronisk struktur og et stort set reduceret κ. Ved en temperatur på 373 K (100°C) blev κ for 3D-fasen observeret at være 3,6 gange højere end for 2D-fasen.

Denne nye tilgang til at ændre κ kunne bane vejen for design af flere sådanne materialer med potentielle anvendelser i termisk styring. "Vi tror på, at den nuværende strategi vil føre til et nyt koncept til design af termisk koblingsmateriale gennem ændring af krystalstrukturens dimensionalitet på tværs af ikke-ligevægtsfasegrænser," siger prof. Katase. + Udforsk yderligere

Kæmpe elektronisk ledningsevneændring drevet af kunstig omskiftning af krystaldimensionalitet