Kvanttirajaus parantaa lämpösähköilmiötä

Topologisilla eristeillä ja puolimetalleilla on osoitettu olevan kiehtovia lämpösähköisiä ominaisuuksia mutta topologisten Dirac-puolimetallien Fermi-kaaren topologisiin pintatiloihin liittyvä lämpösähköinen kuljetus on kuitenkin vähemmän tutkittu.

Bolin Liao ja Kalifornian Santa Barbaran yliopiston kollegat yhdessä Ohion osavaltion ja Hongkongin yliopistojen yhteistyökumppanit ovat yhteisvoimin tutkineet systemaattisesti lämpösähköistä kuljetusta sarjassa topologisia Dirac-puolimetalli Cd3As2 -ohutkalvoja, jotka on kasvatettu molekyylisäde- epitaksialla.

"Korkean hyötysuhteen saavuttamiseksi tarvitsemme materiaalin johtavan sähköä hyvin, johtavan huonosti lämpöä ja tuottamaan korkean jännitteen tietylle lämpötilaerolle", Liao taustoittaa.

Lämpötilagradientista aiheutuva jännite tunnetaan Seebeck-ilmiönä.

Tämä sähköisten ja lämmönsiirto-ominaisuuksien yhdistelmä on ihanteellinen, mutta Liaon mukaan "hyvin vaikea saavuttaa käytännössä".

Nyt tutkittu kadmiumarsenidi (Cd3As2) on Dirac-puolimetalli, jolla on lupaavat kuljetusominaisuudet, erityisesti alhainen lämmönjohtavuus ja korkea elektronien liikkuvuus mutta se tuottaa vain hyvin pienen Seebeck-jännitteen. Hyödyllisen jännitteen luomiseksi, Liao selittää, siihen olisi avattava kaistaero.

"Yksi topologisten eristeiden tunnusmerkki on, että bulkkimateriaalin sisällä olevien elektroneja johtavien tilojen lisäksi niillä on pintajohtavia kanavia", Liao selitti. "On elektroneja, jotka sijaitsevat vain materiaalin pinnalla ja voivat johtaa sähköä."

Näiden topologisten vaikutusten selvittämiseksi Stemmer Lab loi kolme korkealaatuista kalvoa, joiden paksuudet olivat: 950 nm, 95 nm ja 25 nm.

"Periaatteessa, kun siirryt hyvin pieniin mittoihin, kvanttimekaniikka alkaa näytellä roolia, ja voit itse asiassa avata kaistaeron vain pienentämällä kokoa. Tämä tapahtuu kvanttirajoituksena tunnetun ilmiön vuoksi selvittää Liao.

He havaitsivat myös, että mitä ohuempi materiaali, sitä suurempi lämpösähköinen herkkyys (Seebeck-kerroin), mikä tuottaa suuremman jännitteeen vasteena lämpötilagradienttiin, mikä on tässä tapauksessa seitsemän kertaa parempi kuin aiempiin tutkimuksiin verrattuna.

Erityisesti Seebeckin huippukerroin lähes 500 µV K-1 ja vastaava lämpösähköinen tehokerroin yli 30 mW K-2 m-1 havaitaan 5 K:ssa 25 nm:n paksuisessa näytteessä.

"Käytännössä tämä löytö on erittäin hyödyllinen matalalämpötilaisessa, kryogeenisessa, kiinteässä olomuodossa tapahtuvassa jäähdytyksessä", hän lisäsi, "mutta pohjimmiltaan tämä työ on tärkeämpää, koska osoitamme ensimmäistä kertaa, että kvanttirajauksen vaikutus voi parantaa joitain lämpösähköisiä ominaisuuksia ja myös ensimmäistä kertaa eristimme ilmiön pintatiloista."

Aiheesta aiemmin:

Lämpösähköisiä nopeasti

Lämmönjohtavuus ja tunnelointi

Hukkalämpö sähköksi uusin keinoin