Een nieuw ontdekt collectief ratelend effect in een soort kristallijne halfgeleider blokkeert de meeste warmteoverdracht terwijl de hoge elektrische geleidbaarheid behouden blijft - een zeldzame combinatie die volgens wetenschappers de warmteopbouw in elektronische apparaten en turbinemotoren zou kunnen verminderen, onder andere mogelijke toepassingen.

Een team onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy ontdekte deze exotische eigenschappen in een klasse van materialen die bekend staat als halide-perovskieten, die ook worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor zonnepanelen van de volgende generatie, lasers op nanoschaal, elektronische koeling, en elektronische displays.

Deze onderling verbonden thermische en elektrische (of "thermo-elektrische") eigenschappen werden gevonden in draden op nanoschaal van cesiumtinjodide (CsSnI ₃ ). Het materiaal bleek een van de laagste niveaus van warmtegeleiding te hebben onder materialen met een continue kristallijne structuur.

Dit zogenaamde eenkristalmateriaal kan ook gemakkelijker in grote hoeveelheden worden geproduceerd dan typische thermo-elektrische materialen, zoals siliciumgermanium, aldus onderzoekers.

"De eigenschappen ervan komen voort uit de kristalstructuur zelf. Het is een atomair soort fenomeen, " zei Woochul Lee, een postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab die de hoofdauteur van de studie was, gepubliceerd in de week van 31 juli in de Proceedings van de National Academy of Sciences logboek. Dit zijn de eerste gepubliceerde resultaten met betrekking tot de thermo-elektrische prestaties van dit monokristallijne materiaal.

Onderzoekers dachten eerder dat de thermische eigenschappen van het materiaal het product waren van "gekooide" atomen die ronddraaiden in de kristallijne structuur van het materiaal, zoals bij sommige andere materialen was waargenomen. Dergelijk geratel kan ertoe leiden dat de warmteoverdracht in een materiaal wordt verstoord.

"We dachten aanvankelijk dat het cesiumatomen waren, een zwaar element, bewegen in het materiaal, " zei Peidong Yang, een senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die het onderzoek leidde.

Jeffrey Grossman, een onderzoeker aan het Massachusetts Institute of Technology, voerde vervolgens wat theoriewerk en computersimulaties uit die hielpen om uit te leggen wat het team had waargenomen. Onderzoekers gebruikten ook de Molecular Foundry van Berkeley Lab, die gespecialiseerd is in onderzoek op nanoschaal, in de studie.

"We geloven dat er in wezen een ratelend mechanisme is, niet alleen met het cesium. Het is de algehele structuur die rammelt; het is een collectief geratel, Yang zei. "Het ratelende mechanisme wordt geassocieerd met de kristalstructuur zelf, " en is niet het product van een verzameling kleine kristallen kooien. "Het is atomaire groepsbeweging, " hij voegde toe.

Binnen de kristalstructuur van het materiaal, de afstand tussen atomen krimpt en groeit op een collectieve manier die voorkomt dat warmte er gemakkelijk doorheen kan stromen.

Maar omdat het materiaal is samengesteld uit een geordend, eenkristalstructuur, er kan ondanks dit collectieve geratel toch elektrische stroom doorheen stromen. Stel je voor dat zijn elektrische geleidbaarheid is als een onderzeeër die soepel reist in kalme onderwaterstromen, terwijl zijn thermische geleidbaarheid is als een zeilboot die in zware zee aan de oppervlakte wordt heen en weer geslingerd.

Yang zei dat twee belangrijke toepassingen voor thermo-elektrische materialen in koeling zijn, en bij het omzetten van warmte in elektrische stroom. Voor dit specifieke materiaal van cesiumtinjodide, koeltoepassingen zoals een coating om elektronische camerasensoren te koelen, zijn mogelijk gemakkelijker te realiseren dan warmte-naar-elektrische conversie, hij zei.

Een uitdaging is dat het materiaal zeer reactief is op lucht en water, dus het vereist een beschermende coating of inkapseling om in een apparaat te functioneren.

Cesium-tinjodide werd decennia geleden voor het eerst ontdekt als halfgeleidermateriaal, en pas in de afgelopen jaren is het herontdekt vanwege zijn andere unieke eigenschappen, zei Yang. "Het blijkt een verbazingwekkende goudmijn van fysieke eigenschappen te zijn, " hij merkte.

Om de thermische geleidbaarheid van het materiaal te meten, onderzoekers overbrugden twee eilanden van een verankeringsmateriaal met een cesium-tinjodide-nanodraad. De nanodraad was aan beide uiteinden verbonden met micro-eilanden die zowel als verwarming en als thermometer fungeerden. Onderzoekers verwarmden een van de eilanden en maten precies hoe de nanodraad warmte naar het andere eiland transporteerde.

Ze voerden ook scanning-elektronenmicroscopie uit om de afmetingen van de nanodraad nauwkeurig te meten. Ze gebruikten deze afmetingen om een ​​nauwkeurige maatstaf te geven voor de thermische geleidbaarheid van het materiaal. Het team herhaalde het experiment met verschillende nanodraadmaterialen en meerdere nanodraadmonsters om thermo-elektrische eigenschappen te vergelijken en de thermische geleidbaarheidsmetingen te verifiëren.

"Een volgende stap is om dit (cesiumtinjodide) materiaal te legeren, " zei Lee. "Dit kan de thermo-elektrische eigenschappen verbeteren."

Ook, net zoals fabrikanten van computerchips een opeenvolging van elementen in siliciumwafels implanteren om hun elektronische eigenschappen te verbeteren - een proces dat bekend staat als "doping" - hopen wetenschappers vergelijkbare technieken te gebruiken om de thermo-elektrische eigenschappen van dit halfgeleidermateriaal beter te benutten. Dit is relatief onontgonnen terrein voor deze klasse van materialen, zei Yang.