Udnyttelse af uorden til at høste varmeenergi:potentialerne ved 2D-magneter til termoelektriske applikationer

Termoelektriske systemer er en grøn og bæredygtig måde at høste energi fra enhver form for varme, som ellers ville være spildt. Kernen i denne energiomdannelsesproces er den såkaldte Seebeck-effekt, som beskriver spændingen, der opbygges på et materiale, der udsættes for en temperaturforskel.

På trods af mere end 100 års intens forskning er termoelektriske effektiviteter stadig lavere end konventionelle varmemotorer, hvilket gør termoelektrisk kun egnet til nicheapplikationer.

Det er grunden til, at en af ​​videnskabsfolks hovedbestræbelser i dag er at finde nye strategier til at forbedre denne effektivitet. Vores seneste artikel "Impact of spin-entropy on the thermoelectric properties of a 2D magnet," publiceret i Nano Letters , viser, at en løsning kunne ligge i kredsløb baseret på todimensionelle (2D) magnetiske lag.

Justering af entropien i magneter

Termoelektriske egenskaber er væsentligt påvirket af entropi, som kvantificerer forstyrrelsen i et system. Derfor kan alle mekanismer, der øger sådanne parametre, forbedre konverteringseffektiviteten af ​​energihøstanordningen.

I 2D-magnetiske materialer kan to yderligere faktorer ændre entropien:Den magnetiske rækkefølge, der genererer et "spin-entropi"-bidrag, og antallet af lag en ladningsbærer kan få adgang til i et 2D-lagdelt materiale, som producerer en yderligere "lagentropi". "

I vores artikel måles de elektriske og termoelektriske transportegenskaber af 2D antiferromagnet CrSBr, mens den samtidig ændrer den magnetiske rækkefølge af materialet ved at variere prøvetemperaturen eller ved at anvende et eksternt magnetfelt. Undersøgelsen rapporterer, at den termoelektriske respons stiger med temperaturen, efterhånden som elektroner og spins mobiliseres, og når et lokalt maksimum omkring den magnetiske faseovergangs-Néel-temperatur.

Derudover er det vist, at et magnetfelt kan øge den termoelektriske effektfaktor med op til 600 % ved lave temperaturer. Disse fænomener forklares af samspillet mellem de forskellige entropibidrag i materialet og fremhæver den stærke indvirkning, magnetisk orden har på den termoelektriske respons af 2D-magneter.

Mod innovative energihøstere

De resultater, vi rapporterer, demonstrerer, hvordan brugen af ​​magneter kunne overvinde grænserne for konventionelle energiindsamlingsanordninger, da deres termoelektriske egenskaber kan optimeres ved at ændre den magnetiske fase og derfor justere virkningen af ​​spin-entropien.

Desuden låser brugen af ​​2D-materialer op for yderligere frihedsgrader, som muligheden for at justere overgangstemperaturen ved hjælp af flere faktorer - det vil sige filmtykkelse, sammensætning, elektrostatisk gating - hvilket kunne gøre det muligt at maksimere deres termoelektriske ydeevne ved stuetemperatur. Alle disse resultater repræsenterer den første byggesten i en ny måde at designe mere effektive energihøstere på.

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om Science X Dialog og hvordan du deltager.

Flere oplysninger: Alessandra Canetta et al., Impact of Spin-Entropy on the Thermoelectric Properties of a 2D Magnet, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00809

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Alessandra Canetta er tredje års ph.d.-studerende ved UCLouvain (Belgien), under vejledning af prof. Pascal Gehring. Canettas ph.d.-projekt fokuserer på undersøgelse af de termiske og termoelektriske egenskaber af 2D-materialer, især 2D-magneter.