Net zoals een elektrische schakelaar de stroom van elektrische stroom regelt, kunnen thermische schakelaars de stroom van warmte regelen. Deze schakelaars dienen als thermische regelapparatuur en zijn handig voor toepassingen voor thermisch beheer. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in industrieën om afvalwarmte te verminderen, wat resulteert in kosten- en energiebesparingen. Deze schakelaars vereisen materialen waarvan de thermische geleidbaarheid (κ) in hoge mate kan worden gemoduleerd. Hierdoor kan de schakelaar een "aan" en "uit" status hebben, afhankelijk van de thermische geleidbaarheid. Dergelijke materialen zijn echter zeldzaam en uitdagend om te ontwikkelen, en de ontwikkelde materialen vertonen slechts kleine omkeerbare variaties in hun κ.

Nu, in een studie gepubliceerd in Advanced Electronic Materials , hebben onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) en het National Institute for Materials Science, Japan, de zaken naar een hoger niveau getild met een materiaal dat een grote variatie in zijn κ kan bereiken door de dimensionaliteit van de kristalstructuur te veranderen. Het team bereikte deze opmerkelijke prestatie door een solide oplossing van loodselenide (PbSe) en tinselenide (SnSe) te gebruiken, die kan schakelen tussen een driedimensionale (3D) kubische kristalstructuur en een tweedimensionale (2D) gelaagde kristalstructuur met veranderingen in temperatuur.

In vaste stoffen wordt warmte getransporteerd door twee verschillende processen, namelijk de trillingen van het kristalrooster en de stroom van elektrische ladingsdragers. Daarom hangt de thermische geleidbaarheid van een vaste stof af van zowel de kristalstructuur als de elektronische structuur.

In hun onderzoek waren de onderzoekers in staat om verschillende κ-waarden te verkrijgen in a (Pb_0,5 Sn_0,5 ) Se-legering door de dimensionaliteit van de kristalstructuur te veranderen vanwege de verschillende rangschikkingen van atomen en bandhiaten in elke kristalstructuur ten opzichte van de andere. "Het materiaal dat we voor onze studie hebben gekozen, is bulkpolykristallen van (Pb_0,5 Sn_0,5 ) Se, die een directe fasegrens laat zien tussen de 3D- en 2D-kristalstructuren. We hebben dit bereikt door de fase van de vaste oplossing bij hoge temperatuur thermisch af te koelen tot kamertemperatuur", legt professor Takayoshi Katase van Tokyo Tech uit, die betrokken was bij het onderzoek.

De onderzoekers konden omkeerbaar schakelen tussen de 3D- en 2D-kristalstructuurdimensies van de (Pb_0.5 Sn_0,5 )Se polykristallen door eenvoudig het materiaal te verwarmen en af ​​te koelen. In de verwarmde toestand nam het materiaal een 3D-kristalstructuur aan met een metalen elektronische structuur, wat resulteerde in een hoge elektronische en rooster thermische geleidbaarheid. Bij afkoeling veranderde het daarentegen in een 2D-kristalstructuur met een halfgeleidende elektronische structuur en een grotendeels gereduceerde κ. Bij een temperatuur van 373 K (100°C) bleek de κ voor de 3D-fase 3,6 keer hoger te zijn dan die voor de 2D-fase.

Deze nieuwe benadering van het veranderen van κ zou de weg kunnen effenen voor het ontwerp van meer van dergelijke materialen met mogelijke toepassingen in thermisch beheer. "Wij geloven dat de huidige strategie zal leiden tot een nieuw concept voor het ontwerpen van thermisch schakelmateriaal door de dimensionaliteit van de kristalstructuur over niet-evenwichtsfasegrenzen heen te veranderen", zegt prof. Katase. + Verder verkennen

Gigantische elektronische geleidbaarheidsverandering aangedreven door kunstmatige omschakeling van kristaldimensionaliteit