Fra varme til spin til elektricitet:Forståelse af spintransport i termoelektriske enheder

Termoelektriske materialer, som kan generere en elektrisk spænding ved tilstedeværelse af en temperaturforskel, er i øjeblikket et område med intens forskning; termoelektrisk energihøstteknologi er blandt vores bedste muligheder for i høj grad at reducere brugen af ​​fossile brændstoffer og hjælpe med at forhindre en verdensomspændende energikrise. Imidlertid, der er forskellige typer termoelektriske mekanismer, hvoraf nogle er mindre forståede på trods af den seneste indsats. En nylig undersøgelse fra videnskabsmænd i Korea har til formål at udfylde et sådant hul i viden.

En af disse mekanismer nævnt tidligere er spin Seebeck-effekten (SSE), som blev opdaget i 2008 af et forskerhold ledet af professor Eiji Saitoh fra Tokyo University, Japan. SSE er et fænomen, hvor en temperaturforskel mellem et ikke-magnetisk og et ferromagnetisk materiale skaber en strøm af spins. Til termoelektrisk energihøst, den omvendte SSE er særlig vigtig. I visse heterostrukturer, såsom yttriumjerngranat-platin (YIG/Pt), spinflowet, der genereres af en temperaturforskel, omdannes til en strøm med en elektrisk ladning, tilbyder en måde at generere elektricitet fra den omvendte SSE.

Fordi denne spin-til-ladning-konvertering er relativt ineffektiv i de fleste kendte materialer, forskere har forsøgt at indsætte et atomisk tyndt lag af molybdændisulfid (MoS ₂ ) mellem YIG- og Pt-lagene. Selvom denne tilgang har resulteret i forbedret konvertering, de underliggende mekanismer bag rollen som 2-D MoS ₂ lag i spintransport forbliver uhåndgribeligt.

For at tackle denne videnskløft, Professor Sang-Kwon Lee fra Institut for Fysik ved Chung-Ang University, Korea, har for nylig ledet en dybdegående undersøgelse om emnet, som er udgivet i Nano bogstaver . Forskellige kolleger fra Chung-Ang University deltog, samt professor Saitoh, i et forsøg på at forstå effekten af ​​2-D MoS ₂ på den termoelektriske effekt af YIG/Pt.

Til denne ende, forskerne forberedte to YIG/MoS ₂ /Pt prøver med forskellige morfologier i MoS ₂ lag, samt en referenceprøve uden MoS ₂ i det hele taget. De forberedte en måleplatform, hvor en temperaturgradient kan håndhæves, et påført magnetfelt, og spændingsforskellen forårsaget af det efterfølgende spinflow overvåget. Interessant nok, de fandt, at den omvendte SSE, og til gengæld den termoelektriske ydeevne af hele heterostrukturen, kan enten forbedres eller formindskes afhængigt af størrelsen og typen af ​​MoS ₂ Brugt. I særdeleshed, ved hjælp af en hullet MoS ₂ flerlag mellem YIG- og Pt-lagene gav en 60% stigning i termoelektrisk effekt sammenlignet med YIG/Pt alene.

Gennem omhyggelige teoretiske og eksperimentelle analyser, videnskabsmændene fastslog, at denne markante stigning var forårsaget af fremme af to uafhængige kvantefænomener, sammen, redegøre for den samlede omvendte SSE. Disse kaldes den omvendte spin Hall-effekt, og den omvendte Rashba-Edelstein effekt, som begge producerer en spin-akkumulering, der derefter omdannes til en ladestrøm. I øvrigt, de undersøgte, hvordan hullerne og defekterne i MoS ₂ lag ændrede de magnetiske egenskaber af heterostrukturen, fører til en gunstig forstærkning af den termoelektriske effekt. Spændt på resultaterne, Lee bemærker:"Vores undersøgelse er den første til at bevise, at de magnetiske egenskaber af grænsefladelaget forårsager spinsvingninger ved grænsefladen og i sidste ende øger spinakkumulering, fører til en højere spænding og termoeffekt fra den omvendte SSE."

Resultaterne af dette arbejde repræsenterer en afgørende brik i puslespillet inden for termoelektrisk materialeteknologi og kan snart få konsekvenser i den virkelige verden, som Lee forklarer:"Vores resultater afslører vigtige muligheder for store termoelektriske energihøstere med mellemlag i YIG/Pt-systemet. De giver også væsentlig information til at forstå fysikken i den kombinerede Rashba-Edelstein-effekt og SSE i spintransport." Han tilføjer, at deres SSE måleplatform kunne være til stor hjælp til at undersøge andre typer kvantetransportfænomener, såsom de daldrevne Hall- og Nernst-effekter.

Lad os håbe, at termoelektrisk teknologi udvikler sig hurtigt, så vi kan gøre vores drømme om et mere miljøvenligt samfund til virkelighed!