Versterking van de thermokracht van oxiden via kunstmatig gelamineerde metaal/isolator heterostructuur

Thermo-elektrische materialen hebben het vermogen om elektriciteit op te wekken wanneer er een temperatuurverschil op wordt toegepast. Omgekeerd kunnen ze ook een temperatuurgradiënt genereren wanneer er stroom op wordt toegepast. Daarom wordt verwacht dat deze materialen zullen worden gebruikt als stroomgeneratoren van elektronische apparaten en als koelers of verwarmers van apparaten voor temperatuurregeling. Om deze toepassingen te ontwikkelen, is een thermo-elektrisch materiaal vereist dat een hoge thermo-elektrische spanning vertoont (thermopower S genoemd), zelfs bij toepassing van lage thermische energie. Conventionele thermo-elektrische materialen vertonen echter een hoog omzettingsrendement bij hoge temperaturen, terwijl er slechts enkele kandidaten zijn die een hoog omzettingsrendement vertonen bij temperaturen onder kamertemperatuur.

Onlangs heeft een team van onderzoekers van Tokyo Tech, onder leiding van universitair hoofddocent Takayoshi Katase, een nieuwe methode ontwikkeld om S bij lage temperaturen aanzienlijk te verbeteren. In een recent artikel gepubliceerd in Nano-letters, het team rapporteerde een ongewoon grote verbetering van S waargenomen in laminaatstructuren gemaakt van een ultradunne film van het overgangsmetaaloxide LaNiO₃ ingeklemd tussen twee isolerende lagen LaAlO₃.

“We hebben verduidelijkt dat de onverwachte toename van S niet werd veroorzaakt door het gebruikelijke thermo-elektrische fenomeen, maar door het ‘phonon-drag-effect’ dat voortkomt uit de sterke interactie van elektronen en fononen. Als het fonon-drag-effect sterk is, kunnen de stromende fononen de elektronen om extra thermo-elektrische spanning te produceren wanneer een temperatuurverschil wordt toegepast Dit fenomeen wordt niet waargenomen in LaNiO₃ bulk maar verschijnt bij het verminderen van de laagdikte van LaNiO₃ film en opsluiten tussen isolerende LaAlO₃ lagen,” legde Dr. Katase uit.

Door de dikte van LaNiO . te verminderen₃ films tot slechts 1 nm en de film tussen LaAlO₃ lagen, was het team in staat om S ten minste 10-voudig te verbeteren. Deze verbetering was waarneembaar voor een breed temperatuurbereik tot 220 K. De experimentele analyses onthulden dat het fonon-sleepeffect voortkwam uit verbeterde elektron-fonon-interactie door massieve elektronen opgesloten in de LaNiO₃ laag en de vloeiende fononen die uit de bovenste en onderste LaAlO . lekken₃ lagen.

“De bevindingen van deze studie kunnen worden gebruikt om nieuwe hoogwaardige thermo-elektrische materialen te onderzoeken door de laminaatstructuren van verschillende oxiden te ontwerpen die de energieopwekking en het brandstofverbruik kunnen verbeteren”, concludeert Dr. Katase.