Van warmte tot spin tot elektriciteit: inzicht in spintransport in thermo-elektrische apparaten

Thermo-elektrische materialen, die een elektrische spanning kunnen opwekken in aanwezigheid van een temperatuurverschil, zijn momenteel een gebied van intensief onderzoek; technologie voor het oogsten van thermo-elektrische energie is een van onze beste schoten om het gebruik van fossiele brandstoffen sterk te verminderen en een wereldwijde energiecrisis te helpen voorkomen. Er zijn echter verschillende soorten thermo-elektrische mechanismen, waarvan sommige ondanks recente inspanningen minder worden begrepen. Een recente studie van wetenschappers in Korea heeft tot doel een dergelijke leemte in kennis op te vullen.

Een van deze eerder genoemde mechanismen is het spin Seebeck-effect (SSE), dat in 2008 werd ontdekt door een onderzoeksteam onder leiding van professor Eiji Saitoh van de Tokyo University, Japan. De SSE is een fenomeen waarbij een temperatuurverschil tussen een niet-magnetisch en een ferromagnetisch materiaal een stroom van spins creëert. Voor het oogsten van thermo-elektrische energie is de inverse SSE vooral belangrijk. In bepaalde heterostructuren, zoals yttrium-ijzer-granaat-platina (YIG / Pt), wordt de spinstroom die wordt gegenereerd door een temperatuurverschil omgezet in een stroom met een elektrische lading, wat een manier biedt om elektriciteit op te wekken uit de inverse SSE.

Omdat deze spin-to-charge-omzetting relatief inefficiënt is in de meeste bekende materialen, hebben onderzoekers geprobeerd een atomair dunne laag molybdeendisulfide (MoS₂) tussen de YIG- en Pt-lagen. Hoewel deze aanpak heeft geresulteerd in verbeterde conversie, zijn de onderliggende mechanismen achter de rol van de 2-D MoS₂ laag in spintransport blijft ongrijpbaar.

Om deze kenniskloof aan te pakken, heeft professor Sang-Kwon Lee van de afdeling natuurkunde aan de Chung-Ang University, Korea, onlangs een diepgaande studie over het onderwerp geleid, die is gepubliceerd in Nano Letters. Verschillende collega’s van de Chung-Ang University namen, evenals professor Saitoh, deel aan een poging om het effect van 2D MoS te begrijpen₂ op het thermo-elektrische vermogen van YIG / Pt.

Daartoe hebben de wetenschappers twee YIG / MoS voorbereid₂/ Pt-monsters met verschillende morfologieën in de MoS₂ laag, evenals een referentiemonster zonder MoS₂ allemaal samen. Ze hebben een meetplatform voorbereid waarin een temperatuurgradiënt kan worden afgedwongen, een magnetisch veld kan worden aangelegd en het spanningsverschil veroorzaakt door de daaropvolgende spinflow kan worden bewaakt. Interessant genoeg ontdekten ze dat de inverse SSE, en op zijn beurt de thermo-elektrische prestaties van de hele heterostructuur, kan worden verbeterd of verminderd, afhankelijk van de grootte en het type MoS.₂ gebruikt. In het bijzonder met behulp van een MoS met gaten₂ meerlagen tussen de YIG- en Pt-lagen leverden een toename van 60% in thermo-elektrisch vermogen op vergeleken met YIG / Pt alleen.

Door zorgvuldige theoretische en experimentele analyses hebben de wetenschappers vastgesteld dat deze opmerkelijke toename werd veroorzaakt door de bevordering van twee onafhankelijke kwantumfenomenen die samen verantwoordelijk zijn voor de totale inverse SSE. Deze worden het inverse spin Hall-effect en het inverse Rashba-Edelstein-effect genoemd, die beide een spin-accumulatie produceren die vervolgens wordt omgezet in een laadstroom. Bovendien onderzochten ze hoe de gaten en defecten in de MoS zitten₂ laag veranderde de magnetische eigenschappen van de heterostructuur, wat leidde tot een gunstige versterking van het thermo-elektrische effect. Lee is enthousiast over de resultaten en merkt op: “Onze studie is de eerste die aantoont dat de magnetische eigenschappen van de grenslaag spinsfluctuaties veroorzaken op het grensvlak en uiteindelijk de spinstapulatie verhogen, wat leidt tot een hogere spanning en thermokracht van de inverse SSE.”

De resultaten van dit werk vormen een cruciaal stuk in de puzzel van thermo-elektrische materiaaltechnologie en kunnen binnenkort real-world implicaties hebben, zoals Lee uitlegt: “ Onze bevindingen onthullen belangrijke kansen voor grootschalige thermo-elektrische energie-oogstmachines met tussenlagen in de YIG / Pt Ze bieden ook essentiële informatie om de fysica van het gecombineerde Rashba-Edelstein-effect en SSE in spintransport te begrijpen. ” Hij voegt eraan toe dat hun SSE-meetplatform een ​​grote hulp zou kunnen zijn bij het onderzoeken van andere soorten kwantumtransportfenomenen, zoals de door de vallei aangedreven Hall- en Nernst-effecten.

Laten we hopen dat de thermo-elektrische technologie snel vordert, zodat we onze dromen van een milieuvriendelijkere samenleving kunnen waarmaken!