Een NIMS-onderzoeksteam bedacht een nieuw thermo-elektrisch generatiemechanisme met een hybride structuur bestaande uit thermo-elektrische en magnetische materialen. Het team fabriceerde vervolgens deze structuur en observeerde de recordhoge thermokracht die verscheen in de richting loodrecht op een temperatuurgradiënt (d.w.z. transversale thermo-elektrische generatie). Deze resultaten kunnen inzicht bieden in nieuwe mechanismen en structurele ontwerpen die van toepassing zijn op de ontwikkeling van veelzijdige technologieën voor het oogsten van energie en zeer gevoelige warmtefluxsensoren.

Het Seebeck-effect is een fenomeen waarbij een temperatuurgradiënt over een metaal of halfgeleider wordt omgezet in een thermo-elektrische spanning. Omdat dit effect kan worden gebruikt om restwarmte om te zetten in elektrische energie, de mogelijke toepassingen (bijv. autonome stroombronnen voor IoT-apparaten) zijn uitgebreid bestudeerd. Echter, Door Seebeck-effect aangedreven thermo-elektrische opwekking heeft nadelen:een thermokracht wordt gegenereerd in de richting van een temperatuurgradiënt (d.w.z. longitudinale thermo-elektrische opwekking). Door deze parallelle relatie, een thermo-elektrisch materiaal moet worden verlengd in de richting van een temperatuurgradiënt om grote temperatuurverschillen en resulterende grote thermo-elektrische spanning te creëren. Verder, in conventionele Seebeck-apparaten, een complexe structuur bestaande uit een seriële verbinding van vele paren van twee verschillende thermo-elektrische materialen is nodig om een ​​thermo-elektrische spanning te verbeteren. Echter, deze regelingen verhogen de productiekosten, het materiaal/de structuur minder duurzaam maken, en de praktische toepasbaarheid ervan te beperken. In tegenstelling tot, het afwijkende Nernst-effect - een thermo-elektrisch fenomeen dat alleen voorkomt in magnetische materialen - kan een thermo-elektrische spanning genereren loodrecht op de richting van een temperatuurgradiënt. Dit effect kan dus het genereren van een thermokracht in dwarsrichting mogelijk maken, en de thermo-elektrische spanning kan eenvoudig worden verbeterd door de lengte van het materiaal in de richting loodrecht op een temperatuurgradiënt te vergroten. Transversaal verlengde thermo-elektrische materialen zullen naar verwachting een aanzienlijk grotere flexibiliteit hebben wanneer ze in modules worden geïntegreerd en de bovengenoemde nadelen met betrekking tot het Seebeck-effect compenseren. Echter, Van het afwijkende Nernst-effect is aangetoond dat het slechts een zeer kleine thermokracht genereert - minder dan 10 μV / K bij bijna kamertemperatuur - waardoor de praktische toepassing ervan moeilijk is.

In dit onderzoeksproject wordt het onderzoeksteam bedacht en demonstreerde een nieuw thermo-elektrisch generatiemechanisme waarin een longitudinaal thermovermogen, geïnduceerd door het Seebeck-effect in een thermo-elektrisch materiaal, kan worden omgezet in een transversale thermokracht in een magnetisch materiaal via het abnormale Hall-effect. Het team simuleerde dit mechanisme vervolgens op basis van fenomenologische modelberekeningen en ontdekte dat het potentieel in staat is om zeer hoge thermokracht te genereren van meer dan 100 μV / K loodrecht op de richting van een temperatuurgradiënt wanneer materialen en structuren worden geoptimaliseerd. Om dit resultaat experimenteel te verifiëren, het team fabriceerde een hybride structuur bestaande uit Co2MnGa - een magnetische verbinding die het grote afwijkende Hall-effect kan produceren - en halfgeleidend Si dat in staat is om het grote Seebeck-effect te produceren. Deze structuur genereerde de recordhoge positieve en negatieve transversale thermokrachten (+82 V/K en -41 μV/K). De grootte en het teken van de gemeten thermokrachten worden goed weergegeven door de voorspelling op basis van de modelberekeningen. Het thermo-elektrische opwekkingsvermogen van het composiet kan verder worden verbeterd door materiaal- en structurele optimalisatie.

De in dit project waargenomen thermokracht was meer dan 10 keer groter dan de eerder geregistreerde hoogste thermokracht die werd gegenereerd door het afwijkende Nernst-effect. This result is expected to significantly advance R&D efforts aiming to put transverse thermoelectric generation into practical use. In toekomstige studies, we plan to research and develop effective magnetic and thermoelectric materials, create composite structures using these materials, and optimize their structures. We will then use these hybrid materials to develop energy harvesting technologies capable of powering IoT devices and heat flux sensors that can be used for energy-saving purposes.

This research was published in the online version of Natuurmaterialen , a British scientific journal, at 1:00 am on January 19, 2021, Japan Time (4:00 pm on January 18, GMT).