Elektroner spiller en nøglerolle i varmetransport gennem 2-D blikplader

Varmen bevæger sig gennem atomtynde tinplader på en meget usædvanlig måde, A*STAR-forskere har fundet. Opdagelsen kan hjælpe med at udvikle applikationer til materialet, herunder termoelektrisk køling eller elproduktion.

grafen, et lag af kulstof kun et atom tykt, blev først isoleret i 2004. Siden da har forskere har skabt et væld af andre '2-D' analoger af grafen ved hjælp af forskellige atomer. Stanene, med sine tinatomer arrangeret i et let korrugeret sekskantet mønster (se billede), ankom i 2015. Hangbo Zhou og kolleger ved A*STAR Institute of High Performance Computing har nu undersøgt, hvordan denne fætter til grafen leder varme.

I faste materialer, varme er generelt båret af elektroner eller gennem vibrationer mellem atomer. Når disse vibrationer bevæger sig gennem materialet, de opfører sig som en partikel, kendt som en fonon. Ved stuetemperatur, grafen leder for det meste varme med fononer, hvorimod metaller i høj grad er afhængige af elektroner. Men i stanene, balancen mellem disse to mekanismer var ukendt.

A*STAR-holdet beregnede fonon- og elektronens termiske ledning i stanen ved forskellige temperaturer, og fandt ud af, at stanen har en meget lavere fonon termisk ledning end grafen. Ja, ved stuetemperatur, elektron termisk ledning i stanen er nogenlunde den samme som dens fononledning.

De fandt også, at stanene afviger fra Wiedemann-Franz-loven, som siger, at elektronens varmeledning afhænger af materialets temperatur og elektriske ledningsevne. I stanene, imidlertid, elektronens varmelednings bidrag til den samlede varmeoverførsel afhænger også af materialets "kemiske potentiale" - et mål for, hvor meget energi der kræves for at tilføje en elektron mere til materialet. Afgørende, forskerne fandt ud af, at kemisk potentiale også påvirker elektron termisk transport i grafen og nogle andre 2-D materialer.

De overraskende resultater kunne gøre stanen nyttig i termoelektriske enheder, hvor en temperaturgradient skaber en spænding mellem to dele af et materiale, eller omvendt.

"Wiedemann-Franz-loven er en af ​​de vigtigste faktorer, der begrænser lederes termoelektriske effektivitet, " siger Zhou. "Krænkelsen af ​​loven kan være en alternativ vej til at opnå højeffektive termoelektriske materialer."

Beregningerne tyder på, at stanenes termiske transportegenskaber kan justeres ved at ændre dets kemiske potentiale, tilføjer han, for eksempel ved at tilføje spor af andre atomer.

Holdet håber nu at beregne, hvor effektivt stanene kan generere termoelektrisk strøm, og størrelsen af ​​spændingen genereret af en temperaturforskel i materialet.