Eerste uitgebreide karakterisering van de buitengewone thermo-elektrische eigenschappen van dunne cadmiumarsenidefilms

Als er één ding is waar wij mensen goed in zijn, dan is het het produceren van warmte: aanzienlijke hoeveelheden, en in veel gevallen verliezen we het grootste deel van de energie die we opwekken en in onze systemen stoppen als warmte, of het nu onze apparaten zijn, ons transport, onze fabrieken, zelfs ons elektriciteitsnet.

“Afvalwarmte is overal”, zegt Bolin Liao, professor werktuigbouwkunde aan UC Santa Barbara, gespecialiseerd in thermische wetenschap en hernieuwbare energie. “Onze energiecentrales, de uitlaatpijpen van onze auto’s – er zijn zoveel plaatsen waar we overtollig warmteafval creëren.”

Op dit moment zijn we vrij beperkt in hoe we het meeste uit deze warmte kunnen halen. Maar Liao en UCSB-collega’s, samen met medewerkers van de Ohio State University en de University of Hong Kong, boeken vooruitgang in het benutten van die warmte, met een eerste uitgebreide karakterisering van de thermo-elektrische eigenschappen van hoogwaardige cadmiumarsenide dunne films.

“Als we die restwarmte konden oogsten, zou dat fantastisch zijn,” zei hij. “Dat zou onze energie-efficiëntie echt verhogen en het is ook een echt duurzame energiebron.”

Het onderzoek van het team is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen.

Een beter thermo-elektrisch materiaal

“Om een ​​hoge efficiëntie te verkrijgen, hebben we materiaal nodig dat elektriciteit goed geleidt, warmte slecht geleidt en een hoge spanning genereert voor een bepaald temperatuurverschil,” zei Liao. Slechte warmtegeleiding minimaliseert warmteafvoer terwijl een temperatuurverschil over het materiaal behouden blijft, wat resulteert in een elektrische stroom die wordt versterkt door de hoog presterende elektrische geleidbaarheid van het materiaal. De spanning die voortvloeit uit een temperatuurgradiënt staat bekend als het Seebeck-effect.

Deze combinatie van elektrische en thermische transporteigenschappen is ideaal, maar volgens Liao “in de praktijk heel moeilijk te realiseren”.

Voer cadmiumarsenide (Cd) in₃Als₂), een Dirac-halfmetaal met veelbelovende transporteigenschappen, in het bijzonder een lage thermische geleidbaarheid en een hoge elektronenmobiliteit.

“We waren behoorlijk enthousiast over dit materiaal en dachten: ‘Oké, dit is echt een combinatie van deze twee geweldige eigenschappen'”, zei Liao. “Maar er is maar één probleem. Dat probleem was dat je dit materiaal naast goede elektrische geleiding en slechte thermische geleiding ook nodig hebt om onder een temperatuurgradiënt voldoende spanning te kunnen opwekken.”

Als halfmetaal is cadmiumarsenide uitstekend in het zeer snel geleiden van elektriciteit, maar het genereert slechts een zeer kleine Seebeck-spanning. Om een ​​bruikbare spanning te creëren, legde Liao uit, zou men een band gap moeten openen.

“Je wilt dat dit materiaal een bepaald energiebereik heeft waarbij de elektronen niet kunnen geleiden. Dat heet een band gap,” zei hij. Vanwege de gap, die in feite de vrije stroom van elektronen blokkeert, kan er genoeg elektrische “druk” (ook wel voltage genoemd) worden opgebouwd als reactie op een temperatuurverschil over het materiaal. In bulk cadmiumarsenidekristallen is er geen band gap.

Gelukkig had het team een ​​voordeel, in de vorm van de dunnefilm-bekwaamheid van UCSB-materiaalwetenschapper Susanne Stemmer. Met expertise in moleculaire bundelepitaxie (MBE) is Stemmers lab in staat om molecuul voor molecuul hoogwaardige materialen te “kweken”, met diktes variërend van een paar nanometer tot meerdere micrometers. Dit is met name handig in het geval van cadmiumarsenide, zo blijkt, omdat er eigenschappen op het oppervlak van het materiaal zitten die verschillen van die in de bulk van het kristal.

“Een kenmerk van dit soort topologische isolatoren is dat ze naast elektronengeleidende toestanden in het bulkmateriaal ook oppervlaktegeleidende kanalen hebben”, legt Liao uit. “Er zijn elektronen die zich alleen op het oppervlak van het materiaal bevinden en die elektriciteit kunnen geleiden.”

Om de weg vrij te maken voor deze topologische effecten heeft het Stemmer Lab drie hoogwaardige films gemaakt, gegroeid door MBE, met verschillende diktes: 950 nm, 95 nm en 25 nm.

“De hoge mobiliteit van epitaxiale cadmiumarsenidefilms maakt het mogelijk om hun topologische aard te onthullen via kwantumtransportmetingen”, legt Stemmer uit.

Het team ontdekte dat hoe dunner het materiaal, hoe meer bewijs er was van een band gap. En hoe dunner het materiaal, hoe meer de oppervlakte-effecten domineren.

“In principe, als je naar heel lage dimensies gaat, begint de kwantummechanica een rol te spelen, en kun je daadwerkelijk een band gap openen door de grootte te verkleinen,” zei Liao, vanwege een fenomeen dat bekend staat als kwantumopsluiting. Ze ontdekten ook dat hoe dunner het materiaal, hoe hoger de thermo-elektrische gevoeligheid (bekend als de Seebeck-coëfficiënt), wat resulteert in meer spanning als reactie op de temperatuurgradiënt, een reactie die zeven keer sterker is vergeleken met het state-of-the-art materiaal.

Deze kwantumeffecten werden gevonden bij temperaturen van bijna nul, dus hoewel momenteel Cd₃Als₂ Dunne films kunnen niet worden ingezet voor toepassingen bij kamertemperatuur of hoge warmte-efficiëntie, zei Liao. Ze zouden directer bruikbaar kunnen zijn in cryogene omgevingen, die in veel toepassingen voorkomen, zoals de lucht- en ruimtevaart, de geneeskunde en kwantumcomputers.

“Als je een zeer efficiënt, vast materiaal gebruikt voor de koeling, heb je geen gevaarlijke en vervuilende koelmiddelen nodig”, aldus hij.

“Praktisch gezien is het een zeer nuttige ontdekking voor cryogene koeling bij lage temperaturen”, voegde hij eraan toe, “maar fundamenteel is dit werk belangrijker omdat we voor de eerste keer aantonen dat dit kwantumopsluitingseffect sommige thermo-elektrische eigenschappen kan verbeteren.” , en ook voor het eerst isoleerden we de bijdrage van oppervlaktetoestanden.”