Tilpasning af termoelektrisk spænding over atomskala guldkryds ved mekanisk kraft

Forskere ved Tokyo Institute of Technology opnåede præcis og fuldstændig reversibel omskiftning af polariteten af ​​spænding produceret af den termoelektriske effekt på tværs af et guldkryds med en atomskala-kontakt. Styringen af ​​termoelektrisk spænding blev opnået ved mekanisk forlængelse af kontakten. Denne teknologi forventes at finde anvendelser inden for termokraftproduktion, måleteknik inden for materialevidenskab, og elektroniske enheder i fast tilstand.

En spændingsforskel dannes på tværs af et kryds mellem to ledninger, der holdes ved forskellige temperaturer. Dette fænomen, kaldet termoelektrisk effekt, er blevet bredt undersøgt og brugt i forskellige applikationer såsom termoelektriske kraftgeneratorer, termoelektriske køleskabe, og temperaturmåling. Når tværsnittet af forbindelseskontakten reduceres til et par atomer, kvantemekaniske virkninger eller specifikt, kvanteforstyrrelser blandt elektroner påvirker transporten af ​​elektroner over krydset. Disse forstyrrelser er stærkt afhængige af strukturen, inklusive minutfejl, af atomskala kontakt og omgivende materiale, som bestemmer elektriske egenskaber som konduktans og termoelektrisk spænding. Indtil nu, kvanteinterferens effekt i atomskala metalkontakter har ikke fundet meget anvendelse, på grund af vanskeligheden ved præcist at kontrollere atomstrukturer.

Akira Aiba, Manabu Kiguchi og deres kolleger ved Tokyo Tech demonstrerede eksperimentelt, at størrelsen og tegnet på den termoelektriske spænding over atomskala guldkryds kan kontrolleres ved at anvende en mekanisk belastning til at deformere kontakten minutiøst og præcist, mens strukturen af ​​det omgivende materiale forbliver upåvirket. Minute deformationer blev udført ved bøjning af krydsets substrat ved hjælp af en piezoelektrisk transducer og ved at opretholde et lavtemperaturmiljø, så atomer ikke får tilstrækkelig kinetisk energi til at vibrere stærkt og forårsage tilfældige deformationer af strukturen. Da kontakten blev forlænget, konduktansen faldt på en trinvis måde, og den termoelektriske spænding varierede kraftigt med ændringer i tegn. Bemærkelsesværdigt, disse ændringer var fuldstændig reversible:de elektriske egenskaber blev gendannet til deres oprindelige værdier, da kontakten blev komprimeret tilbage til sin oprindelige struktur.

Et passende forlængelsesområde, der forårsager en trinlignende ændring i konduktans med et ændring i tegn på den termoelektriske spænding, blev brugt til at oprette en spændingsafbryder, dvs. en enhed, der skifter spænding, når den forlænges eller komprimeres. En sådan ændring af tegn på termoelektrisk spænding over atomskala metalforbindelser blev tidligere observeret, men det er første gang, at skifteændringen kunne kontrolleres forudsigeligt og reversibelt. Interessant nok, det viste sig, at spændingsafbryderen udviklet af disse forskere fungerede pålideligt i mindst 20 cykler med forlængelse og kompression.

Yderligere, videnskabsmændene teoretisk bevist, at skiftet er forårsaget af ændring af elektronernes kvanteinterferensstilstande på grund af den mekaniske ændring af kontaktens struktur. En teoretisk model af krydset, som forskerne konstruerede ved hjælp af densitetsfunktionel teori, forudsagde nøjagtigt ændringer af elektriske egenskaber med varierende deformation.

Dette er den første rapport om vellykket manipulation af kvanteinterferens af elektroner i metal -nanostrukturer gennem ekstern mekanisk kraft. Resultaterne af denne undersøgelse kan have potentielle anvendelser inden for termokraftproduktion, måleteknik inden for materialevidenskab, og elektroniske enheder i fast tilstand.