Onderzoekers van de Universiteit van Osaka zijn erin geslaagd de arbeidsfactor van een veelbelovend thermo-elektrisch materiaal met meer dan 100% te verbeteren door de druk te variëren, de weg vrijmaken voor nieuwe materialen met verbeterde thermo-elektrische eigenschappen. Thermo-elektrische materialen hebben het unieke vermogen om elektriciteit op te wekken uit temperatuurverschillen en kunnen daarom potentieel worden gebruikt om anders verspilde warmte (zoals warmte van hete laptops of servers) om te zetten in bruikbare elektriciteit.

Naast het verbeteren van de thermo-elektrische eigenschappen van een materiaal, de onderzoekers onthulden dat de thermo-elektrische eigenschappen van het materiaal afkomstig zijn van een overgang in de topologie van de elektronische bandstructuur, die de Lifshitz-transitie wordt genoemd. Deze overgang verschilt van de conventionele faseovergang van het Landau-type, omdat het gebeurt zonder enige symmetriebreking. Onderzoekers hebben lang reden gehad om aan te nemen dat de Lifshitz-transitie een cruciale rol speelt in veel kwantumverschijnselen, zoals supergeleiding, complex magnetisme, en thermo-elektrische eigenschappen, maar ze misten direct bewijs.

In deze nieuwe studie Onderzoekers van de Universiteit van Osaka hebben een direct verband aangetoond tussen de Lifshitz-overgang en fysieke eigenschappen in een thermo-elektrisch materiaal. "We waren in staat om de Lifshitz-overgang bij te houden door druk uit te oefenen en de kwantumoscillaties te meten terwijl de druk werd verhoogd, ' zegt corresponderende auteur Hideaki Sakai.

De onderzoekers bestudeerden tinselenide (SnSe), een thermo-elektrisch materiaal dat ook een halfgeleider is met een kleine hoeveelheid geleidende dragers. Bij halfgeleiders, de lagere energievalentieband is gevuld met elektronen, overwegende dat de hogere energiegeleidingsband er leeg van is; zodra enkele onzuiverheden en/of chemische defecten zijn geïntroduceerd, geleidende dragers worden geïntroduceerd als elektronen en gaten in de geleidings- en valentiebanden, respectievelijk, en de halfgeleider zal zich gedragen als een geleider. Behalve dat ze een effect hebben op de elektrische geleidingseigenschappen van het materiaal, de bandstructuur heeft ook effect op kwantumverschijnselen, zoals hun thermo-elektrische vermogens. De valentiebanden van tinselenide zijn niet helemaal vlak, maar hebben normaal gesproken twee valleien in zich.

"Toen we de druk op het materiaal opvoerden, we zagen een verandering van twee naar vier valleien in het materiaal toen de Lifshitz-overgang plaatsvond, " zegt Hideaki Sakai. De onderzoekers konden zowel experimenteel als theoretisch aantonen dat deze verandering in het aantal valleien direct verantwoordelijk was voor een significante verbetering van de thermo-elektrische eigenschappen van tinselenide.

De resultaten van de studie kunnen in de toekomst helpen bij het voorbereiden van verbeterde thermo-elektrische materialen en kunnen ook helpen om het effect van de Lifshitz-transitie op verschillende transporteigenschappen te verduidelijken, wat leidt tot potentiële toepassingen zoals nieuwe elektronica die gebruik maakt van dal vrijheidsgraden in de bandstructuur.