Single crystal tin selenide (SnSe) is een halfgeleider en een ideaal thermo-elektrisch materiaal; het kan afvalwarmte direct omzetten in elektrische energie of worden gebruikt voor koeling. Toen een groep onderzoekers van de Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, zag de grafeenachtige gelaagde kristalstructuur van SnSe, ze hadden een van die magische "aha!" momenten.

De groep rapporteert in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , dat ze onmiddellijk het potentieel van dit materiaal herkenden om in nanostructuurvormen te worden gefabriceerd. "Ons lab heeft gewerkt aan tweedimensionale halfgeleiders met gelaagde structuren vergelijkbaar met grafeen, " zei Xuan Gao, een universitair hoofddocent bij Case Western.

Nanomaterialen met afmetingen op nanometerschaal, zoals dikte en korrelgrootte, hebben gunstige thermo-elektrische eigenschappen. Dit inspireerde de onderzoekers om nanometerdikke nanovlokken en dunne films van SnSe te kweken om de thermo-elektrische eigenschappen ervan verder te bestuderen.

Het werk van de groep draait om het thermo-elektrische effect. Ze bestuderen hoe het temperatuurverschil in een materiaal ervoor kan zorgen dat ladingsdragers - elektronen of gaten - zich herverdelen en een spanning over het materiaal genereren, thermische energie omzetten in elektriciteit.

"Het aanbrengen van spanning op een thermo-elektrisch materiaal kan ook leiden tot een temperatuurgradiënt, wat betekent dat je thermo-elektrische materialen kunt gebruiken voor koeling, "zei Gao. "Over het algemeen, materialen met een hoog cijfer van verdienste hebben een hoge elektrische geleidbaarheid, een hoge Seebeck-coëfficiënt gegenereerde spanning per Kelvin temperatuurverschil binnen een materiaal en lage thermische geleidbaarheid, " hij zei.

Een thermo-elektrisch cijfer van verdienste, ZT, geeft aan hoe efficiënt een materiaal thermische energie omzet in elektrische energie. Het werk van de groep richt zich op de arbeidsfactor, die evenredig is met ZT en het vermogen van een materiaal om energie om te zetten aangeeft, dus maten ze de arbeidsfactor van de materialen die ze maakten.

Om SnSe-nanostructuren te laten groeien, ze gebruikten een proces van chemische dampafzetting (CVD). Ze verdampten thermisch een bron van tinselenidepoeder in een geëvacueerde kwartsbuis. Tin- en seleniumatomen reageren op een silicium- of micagroeiwafel die in de lagetemperatuurzone van de kwartsbuis is geplaatst. Hierdoor vormen zich SnSe-nanovlokken op het oppervlak van de wafer. Het toevoegen van een doteringselement zoals zilver aan dunne SnSe-films tijdens materiaalsynthese kan de thermo-elektrische eigenschappen ervan verder optimaliseren.

Aan het begin, "de nanostructuur SnSe-dunne films die we maakten, hadden een arbeidsfactor van slechts ~ 5 procent van die van monokristallijn SnSe bij kamertemperatuur, " zei Shuhao Liu, een auteur op papier. Maar, na het proberen van verschillende doteermiddelen om de arbeidsfactor van het materiaal te verbeteren, ze stelden vast dat "zilver het meest effectief was - wat resulteerde in een verbetering van de arbeidsfactor van 300 procent in vergelijking met niet-gedoteerde monsters, " zei Liu. "De met zilver gedoteerde SnSe nanogestructureerde dunne film belooft een hoog cijfer van verdienste."

In de toekomst, de onderzoeker hoopt dat SnSe-nanostructuren en dunne films nuttig kunnen zijn voor geminiaturiseerde, milieuvriendelijk, goedkope thermo-elektrische en koelapparaten.