Warmte reist op een zeer ongebruikelijke manier door atoomdunne vellen tin, A * STAR-onderzoekers hebben gevonden. De ontdekking kan helpen bij het ontwikkelen van toepassingen voor het materiaal, inclusief thermo-elektrische koeling of energieopwekking.

grafeen, een laag koolstof van slechts één atoom dik, werd voor het eerst geïsoleerd in 2004. Sindsdien onderzoekers hebben een overvloed aan andere '2-D'-analogen van grafeen gemaakt met verschillende atomen. Stanene, met zijn tinatomen gerangschikt in een licht gegolfd hexagonaal patroon (zie afbeelding), arriveerde in 2015. Hangbo Zhou en collega's van het A*STAR Institute of High Performance Computing hebben nu onderzocht hoe dit neefje van grafeen warmte geleidt.

Bij vaste materialen, warmte wordt over het algemeen gedragen door elektronen of door trillingen tussen atomen. Terwijl deze trillingen door het materiaal reizen, ze gedragen zich eerder als een deeltje, bekend als een fonon. Op kamertemperatuur, grafeen geleidt warmte meestal met fononen, terwijl metalen grotendeels afhankelijk zijn van elektronen. Maar in stanene, de balans tussen deze twee mechanismen was onbekend.

Het A*STAR-team berekende de thermische geleiding van fononen en elektronen in staneen bij verschillende temperaturen, en ontdekte dat staneen een veel lagere thermische geleiding van fononen heeft dan grafeen. Inderdaad, op kamertemperatuur, elektronen thermische geleiding in staneen is ongeveer hetzelfde als de fonongeleiding.

Ze vonden ook dat stanene afwijkt van de wet van Wiedemann-Franz, waarin staat dat de thermische geleiding van elektronen afhangt van de temperatuur en de elektrische geleidbaarheid van het materiaal. in stanen, echter, de bijdrage van de thermische geleiding van elektronen aan de totale warmteoverdracht hangt ook af van de 'chemische potentiaal' van het materiaal - een maat voor hoeveel energie er nodig is om nog een elektron aan het materiaal toe te voegen. Cruciaal, de onderzoekers ontdekten dat chemisch potentieel ook het thermische transport van elektronen in grafeen en sommige andere 2D-materialen beïnvloedt.

De verrassende bevindingen kunnen staneen nuttig maken in thermo-elektrische apparaten, waarbij een temperatuurgradiënt een spanning creëert tussen twee delen van een materiaal, of vice versa.

"De wet van Wiedemann-Franz is een van de belangrijkste factoren die de thermo-elektrische efficiëntie van geleiders beperkt, ", zegt Zhou. "De overtreding van de wet kan een alternatieve route zijn naar het bereiken van hoogrenderende thermo-elektrische materialen."

De berekeningen suggereren dat de thermische transporteigenschappen van stanene kunnen worden aangepast door het chemische potentieel ervan te veranderen, hij voegt toe, bijvoorbeeld door sporen van andere atomen toe te voegen.

Het team hoopt nu te berekenen hoe efficiënt stanene thermo-elektrische energie kan opwekken. en de grootte van de spanning die wordt gegenereerd door een temperatuurverschil in het materiaal.