De eerste observatie van een gigantisch niet -lineair nernst -effect in driejarige grafeen

Het genereren van elektriciteit uit warmte, ook bekend als thermo-elektrische energieconversie, is voordelig gebleken voor verschillende real-world toepassingen. Het bleek bijvoorbeeld nuttig voor het genereren van energie tijdens ruimte -expedities en militaire missies in moeilijke omgevingen, evenals voor het herstel van afvalwarmte geproduceerd uit industriële planten, krachtcentrales of zelfs voertuigen.

De succesvolle omzetting van warmte in elektriciteit is afhankelijk van een van de twee verschillende effecten, bekend als het Seebeck -effect en het Nernst -effect. Het Seebeck -effect treedt op wanneer twee ongelijksoortige materialen worden verbonden op twee juncties die bij verschillende temperaturen zijn, die een elektrische stroom kunnen genereren die in de lus stroomt. Het Nernst -effect daarentegen omvat het genereren van een transversale spanning in een materiaal met een temperatuurgradiënt.

Tot nu toe is het Nernst-effect voornamelijk aangetoond in tijd-omkeer symmetrie-brekende systemen, hetzij door een extern magnetisch veld toe te passen of door magnetische materialen te gebruiken. Toch hebben recente fysica-theorieën het idee geïntroduceerd dat een niet-lineair nernst-effect (NNE) zou kunnen ontstaan in niet-magnetische materialen, cruciaal, onder nul extern magnetisch veld.

Onderzoekers van de Fudan University en Peking University hebben dit idee nu voor het eerst in een experimentele setting gerealiseerd. Hun papier, gepubliceerd in Natuurnanotechnologiemeldt de observatie van een aanzienlijk niet-lineair nerNST-effect in een inversiesymmetrie-brekende vorm van drielagend grafeen dat bekend staat als ABA Trailay-grafeen.

“Ons onderzoek is geïnspireerd door de unieke uitdagingen en kansen op het gebied van thermo-elektriciteit,” vertelde Pan hij, co-senior auteur van de paper, aan Phys.org. “Het conventionele Nernst-effect, een thermo-elektrisch fenomeen dat een transversale spanning genereert uit een temperatuurgradiënt, vereist meestal het breken van tijd-omkeringssymmetrie, vaak met een magnetisch veld. Deze vereiste vormt een belangrijke uitdaging voor de miniaturisatie en integratie van thermo-elektrische apparaten. Toch recent, theoretische voorspellingen hebben een nieuw type fenomenen voorgesteld.”

De NNE is verondersteld te voorkomen in niet-magnetische materialen zonder de noodzaak om een extern magnetisch veld toe te passen. Hoewel dit zeer voordelig zou kunnen zijn voor de ontwikkeling van apparaten die warmte in elektrische stroom kunnen omzetten, was het effect tot nu toe moeilijk te realiseren experimenteel gebleken.

“Ons primaire doel was om de eerste te zijn die dit effect experimenteel observeerde en de recente theoretische voorspellingen valideert,” legde hij uit. “Om de NNE te observeren in niet-magnetische ABA-driemaaggrafeen, moesten we eerst hoogwaardige Hall-bar-apparaten met microfabriceerde kachels en thermometers fabriceren om nauwkeurig een lokale temperatuurgradiënt over het monster te regelen.

Hij en zijn collega’s passen een sinusvormige stroom toe (dwz een stroom die de richting soepel en periodiek een specifiek patroon volgt) op een kachel. Dit induceerde een temperatuurgradiënt in het materiaal dat op twee keer zijn normale frequentie fluctueerde.

De onderzoekers ontdekten dat de NNE zich uiteindelijk manifesteerde als een vierde harmonische transversale spanning in het materiaal, die een tweede-orde respons vertegenwoordigt op de temperatuurgradiënt die ze produceerden, in tegenstelling tot de lineaire respons van het conventionele Nernst-effect.

“Ons werk presenteert de eerste experimentele observatie van een gigantische NNE in een niet-magnetisch materiaal onder nul magnetisch veld,” zei hij. “We hebben een gigantische effectieve nernst -coëfficiënt gemeten van maximaal 300 µvk^-1 bij 2 K in ABA driejagige grafeen, dat ongeveer twee orden van grootte groter is dan de hoogste waarden die zijn gerapporteerd in magnetische materialen op nul magnetisch veld. “

De eerste observatie van het team van de NNE in het grafeen van het trilaag zonder de noodzaak van een extern magnetisch veld kan verschillende praktische implicaties hebben. Het meest opvallend is dat het een alternatieve oplossing biedt voor het oogsten van thermo -elektrische energie zonder dat magnetische materialen of externe magnetische velden nodig zijn. In de toekomst kunnen de experimentele methoden van het team worden gebruikt om compactere thermo-elektrische apparaten te ontwikkelen die kunnen worden ingezet in verschillende real-world omgevingen.

“Ons werk heeft verschillende spannende richtingen geopend voor toekomstig onderzoek,” zei hij. “Een belangrijk doel is om de NNE uit te breiden van onze observaties met lage temperatuur (onder 12 K) tot kamertemperatuur, wat essentieel is voor bredere praktische toepassingen. We zijn van plan om andere tijdverkerende invariante en niet-centrosymmetrische materialen te onderzoeken die dit effect kunnen vertonen bij hogere temperaturen en van andere mechanismen.”

Als onderdeel van hun volgende studies zijn hij en zijn collega’s van plan om te werken aan het optimaliseren van de NNE die ze hebben waargenomen. Bovendien willen ze proberen het effect te moduleren met externe magnetische velden.

“Uiteindelijk willen we de NNE in driedimensionale bulkmaterialen realiseren om de beperkingen van 2D-systemen te overwinnen,” voegde hij eraan toe.