Hoewel de Olympische Zomerspelen werden uitgesteld, er is ten minste één plek om behendige hordelopers voor het goud te zien gaan.

Je hebt alleen een manier nodig om deze elektronenspellen te bekijken.

Met behulp van een nieuw optisch detectiesysteem, onderzoekers van Rice University ontdekten dat elektriciteit die wordt opgewekt door temperatuurverschillen niet meetbaar wordt beïnvloed door korrelgrenzen die in de weg zijn gelegd in gouddraden op nanoschaal, terwijl spanning en andere defecten in het materiaal deze "thermo-elektrische" reactie kunnen veranderen.

Het fenomeen zou de detectie mogelijk maken van kristallijne defecten in geleidende materialen die moeilijk te herkennen en te karakteriseren zijn met zelfs de meest geavanceerde microscopische methoden.

Het resultaat was een verrassing voor onderzoekers onder leiding van Rice-fysicus Doug Natelson en doctoraal alumna Charlotte Evans, nu een stafwetenschapper bij Sandia National Laboratories, die de verklaring zochten na het zien van metingen die ze een paar jaar geleden niet konden verklaren.

"Vaak, mensen denken aan het thermo-elektrische effect wanneer ze zonnepanelen bouwen of stroom opwekken uit dit of dat, " zei Evans. "In plaats daarvan stellen we dat het thermo-elektrische effect een echt interessant diagnostisch hulpmiddel is."

De studie verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Korrelgrenzen zijn de vlakken in materialen waar verkeerd uitgelijnde kristallen elkaar ontmoeten, waardoor atomen langs de rand worden gedwongen zich aan te passen terwijl ze zich aan hun buren binden. Metingen in bi-kristal gouden nanodraden geproduceerd door de groep van elektrotechnisch ingenieur van Stanford University en co-auteur Jonathan Fan toonden geen detecteerbaar effect op thermo-elektrische spanningen aan de korrelgrens - de elektronen in het metaal negeerden eenvoudig de enkele korrelgrens.

Temperatuurverschillen in geleiders creëren thermo-elektriciteit door het Seebeck-effect, één type thermo-elektrisch effect. Dit effect wordt vaak gebruikt om temperatuurverschillen te meten en om thermostaten te regelen. Het Natelson-lab veroorzaakte het Seebeck-effect door een deel van Fan's draden te verwarmen met een strak gecontroleerde laser, het aandrijven van elektronen om van de hete locatie naar koudere gebieden te gaan, en produceerde een te meten spanning. Er werd geen meetbare verandering in de spanning gezien wanneer de laser over de korrelgrens in de bi-kristallen werd bewogen.

Toen de laser over delen van dezelfde draden werd bewogen die vervormd waren, met vervormingen in het kristalrooster door de hele draad, veranderingen in de spanning werden duidelijk, zei Natelson. Het gloeien van de vervormde apparaten genas gedeeltelijk de defecten, resulterend in duidelijke veranderingen in de thermo-elektrische stroom.

"Er is een gemeenschap van mensen die spelen met het verbeteren van de thermo-elektrische respons, " Zei Natelson. "Ze moeten zich ervan bewust zijn dat structurele problemen zoals zeer kleine vervormingen aan het rooster effecten hebben die niet noodzakelijk klein zijn. Mensen hebben de neiging om deze kleine structurele problemen te negeren, maar wanneer je dunne film apparaten maakt, er is ingebakken spanning en spanning in het materiaal, gewoon vanwege de manier waarop het is gemaakt."

Evans zei dat kristallen op nanoschaal vaak worden gekenmerkt via elektronenterugverstrooiingsdiffractie (EBSD), een duur en tijdrovend proces. "Het voordeel van ons proces is de eenvoud, "zei ze. "We gebruiken een grote spotgrootte van een laser, twee micron, die veel groter is dan de grootte van een e-beam, en we kunnen variaties detecteren met alleen een lock-in-techniek, een scanning laser en een spanningsversterker.

"Als je naar de gewone EBSD-gegevens kijkt, het lijkt alsof je een ongerept kristal hebt, "zei ze. "En pas als je de gegevens nabewerkt en kijkt hoe elke pixel verschilt van de volgende, zie je kleine vervormingen langs de lengte van de draad. Het is ingewikkeld om te detecteren. Daarom is het zo opmerkelijk dat we deze kleine variaties met een laser konden detecteren."

"Dus als je iets slims wilt doen en de thermo-elektrische respons wilt benutten, je moet de apparaten begrijpen die je maakt met standaard, top-down fabricagemethoden, " Zei Natelson. "De stress en spanning en wat leek op kleine structurele onvolkomenheden kunnen een gemakkelijk waarneembare invloed hebben."