Wetenschap
Uitzonderlijk groot transversaal thermo-elektrisch effect geproduceerd door het combineren van thermo-elektrische en magnetische materialen
Een NIMS-onderzoeksteam heeft voor de eerste keer ooit aangetoond dat een eenvoudige stapel thermo-elektrische en magnetische materiaallagen een aanzienlijk groter transversaal thermo-elektrisch effect kan vertonen (energieconversie tussen elektrische en warmtestromen die daarin orthogonaal ten opzichte van elkaar stromen) dan bestaande magnetische materialen in staat het afwijkende Nernst-effect te vertonen. Dit mechanisme kan worden gebruikt om nieuwe typen thermo-elektrische apparaten te ontwikkelen die nuttig zijn bij het oogsten van energie en het meten van warmteflux.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science .
Op het Seebeck-effect gebaseerde thermo-elektrische technologieën die restwarmte en andere warmtebronnen in elektriciteit kunnen omzetten, zijn de afgelopen jaren uitgebreid onderzocht. Het Seebeck-effect genereert normaal gesproken een elektrische stroom die parallel loopt aan de bijbehorende warmtestroom (dat wil zeggen een longitudinaal thermo-elektrisch effect). Deze fysieke beperking vereist dat op Seebeck-effecten gebaseerde apparaten complexe structuren hebben, wat leidt tot kortere levensduur en hogere productiekosten.
Aan de andere kant kunnen thermo-elektrische apparaten, door gebruik te maken van transversale thermo-elektrische effecten, zoals het afwijkende Nernst-effect, veel eenvoudigere structuren hebben dan op het Seebeck-effect gebaseerde apparaten, waardoor ze potentieel bruikbaar zijn bij het oogsten van energie en het detecteren van warmteflux. De thermo-elektrische conversieprestaties bij kamertemperatuur als gevolg van het abnormale Nernst-effect zijn momenteel echter erg laag:er kan minder dan 10 μV elektriciteit worden opgewekt door een temperatuurverschil van 1 K bij kamertemperatuur, wat een groot nadeel vormt.
Het onderzoeksteam vervaardigde een thermo-elektrisch composiet met een zeer eenvoudige structuur:een paar thermo-elektrische en magnetische materiaallagen die strak op elkaar waren gestapeld, zodat er elektriciteit overheen kon stromen. Dit apparaat kon een transversaal thermo-elektrisch effect vertonen dat aanzienlijk groter was dan het effect dat uitsluitend wordt geproduceerd door bestaande magnetische materialen die het afwijkende Nernst-effect kunnen vertonen, in de allereerste experimentele demonstratie in zijn soort.
Om het grote transversale thermo-elektrische effect te bereiken, construeerde het team eerst een theoretisch model en schatte de optimale dikteverhouding tussen het gepaarde thermo-elektrische silicium (Si) substraat dat een groot Seebeck-effect kan vertonen en het dunne magnetische ijzer-gallium (Fe-Ga) legering. film. Het team stapelde vervolgens de dunne Fe-Ga-film op een Si-substraat met de optimale dikteverhouding. Deze composiet produceerde een maximale uitgangsspanning van 15,2 μV/K – ongeveer zes keer groter dan de spanning gegenereerd door alleen de Fe-Ga-legering (2,4 μV/K), gebaseerd op het afwijkende Nernst-effect.
Het team toonde aan dat een eenvoudige gelaagde structuur, bestaande uit een paar thermo-elektrische en magnetische materiaallagen die in direct contact staan, een aanzienlijk groter transversaal thermo-elektrisch effect kon produceren dan magnetische materialen die het abnormale Nernst-effect konden vertonen als ze alleen werden gebruikt. Dit composiet zal naar verwachting toepasbaar zijn in een breed scala aan praktische thermo-elektrische apparaten.
In de toekomst zal het onderzoek worden uitgebreid naar grote bulkmaterialen die nodig zijn voor praktische toepassingen, gericht op het bijdragen aan de energiebesparing van de samenleving door middel van toepassingen voor apparaten voor de opwekking van thermo-elektrische energie.
Dit project werd uitgevoerd door Weinan Zhou (ICYS Research Fellow, International Centre for Young Scientists, NIMS), Yuya Sakuraba (Groepsleider, Magnetic Functional Device Group, Research Center for Magnetic and Spintronic Materials (CMSM), NIMS), Ken-ichi Uchida (Distinguished Group Leader, Spin Caloritronics Group, CMSM, NIMS) en Taisuke Sasaki (Groepsleider, Nanostructure Analysis Group, CMSM, NIMS).