Thermo-elektrische materialen, die een elektrische spanning kan opwekken bij een temperatuurverschil, zijn momenteel een gebied van intensief onderzoek; technologie voor het oogsten van thermo-elektrische energie is een van onze beste kansen om het gebruik van fossiele brandstoffen sterk te verminderen en een wereldwijde energiecrisis te helpen voorkomen. Echter, er zijn verschillende soorten thermo-elektrische mechanismen, waarvan sommige ondanks recente inspanningen minder worden begrepen. Een recente studie van wetenschappers in Korea is bedoeld om zo'n leemte in kennis op te vullen.

Een van deze eerder genoemde mechanismen is het spin Seebeck-effect (SSE), die in 2008 werd ontdekt door een onderzoeksteam onder leiding van professor Eiji Saitoh van de Universiteit van Tokyo, Japan. De SSE is een fenomeen waarbij een temperatuurverschil tussen een niet-magnetisch en een ferromagnetisch materiaal een stroom van spins creëert. Voor het oogsten van thermo-elektrische energie, vooral de inverse SSE is belangrijk. In bepaalde heterostructuren, zoals yttrium-ijzer-granaat-platina (YIG/Pt), de spinstroom die wordt gegenereerd door een temperatuurverschil wordt omgezet in een stroom met een elektrische lading, het aanbieden van een manier om elektriciteit op te wekken uit de inverse SSE.

Omdat deze spin-naar-lading conversie relatief inefficiënt is in de meeste bekende materialen, onderzoekers hebben geprobeerd een atomair dunne laag molybdeendisulfide (MoS ₂ ) tussen de YIG- en Pt-lagen. Hoewel deze aanpak heeft geleid tot een hogere conversie, de onderliggende mechanismen achter de rol van de 2-D MoS ₂ laag in spintransport blijft ongrijpbaar.

Om deze kenniskloof aan te pakken, Professor Sang-Kwon Lee van de afdeling Natuurkunde aan de Chung-Ang University, Korea, heeft onlangs een diepgaande studie over het onderwerp geleid, die is gepubliceerd in Nano-letters . Verschillende collega's van de Chung-Ang University namen deel, evenals professor Saitoh, in een poging om het effect van 2D MoS . te begrijpen ₂ op de thermo-elektrische kracht van YIG/Pt.

Hiertoe, de wetenschappers bereidden twee YIG/MoS ₂ /Pt-monsters met verschillende morfologieën in de MoS ₂ laag, evenals een referentiemonster zonder MoS ₂ allemaal samen. Ze maakten een meetplatform waarin een temperatuurgradiënt kan worden afgedwongen, een magnetisch veld aangelegd, en het spanningsverschil veroorzaakt door de daaropvolgende spinstroom gecontroleerd. interessant, ze ontdekten dat de inverse SSE, en op zijn beurt de thermo-elektrische prestaties van de hele heterostructuur, kan worden verbeterd of verminderd, afhankelijk van de grootte en het type MoS ₂ gebruikt. Vooral, met behulp van een gaten MoS ₂ meerlaags tussen de YIG- en Pt-lagen leverde een 60% toename in thermo-elektrisch vermogen op in vergelijking met YIG/Pt alleen.

Door zorgvuldige theoretische en experimentele analyses, de wetenschappers vastgesteld dat deze duidelijke toename werd veroorzaakt door de promotie van twee onafhankelijke kwantumverschijnselen die, samen, verantwoordelijk voor de totale inverse SSE. Dit wordt het inverse spin Hall-effect genoemd, en het omgekeerde Rashba-Edelstein-effect, die beide een spinaccumulatie produceren die vervolgens wordt omgezet in een laadstroom. Bovendien, onderzochten ze hoe de gaten en defecten in de MoS ₂ laag veranderde de magnetische eigenschappen van de heterostructuur, wat leidt tot een gunstige versterking van het thermo-elektrische effect. Enthousiast over de resultaten, Lee merkt op:"Onze studie is de eerste die aantoont dat de magnetische eigenschappen van de grenslaag spinfluctuaties aan het grensvlak veroorzaken en uiteindelijk de spinaccumulatie vergroten, wat leidt tot een hogere spanning en thermopower van de inverse SSE."

De resultaten van dit werk vertegenwoordigen een cruciaal stuk in de puzzel van thermo-elektrische materiaaltechnologie en kunnen binnenkort real-world implicaties hebben, zoals Lee uitlegt:"Onze bevindingen onthullen belangrijke kansen voor thermo-elektrische energieoogsters met grote oppervlakten met tussenlagen in het YIG/Pt-systeem. Ze bieden ook essentiële informatie om de fysica van het gecombineerde Rashba-Edelstein-effect en SSE in spintransport te begrijpen." Hij voegt eraan toe dat hun SSE-meetplatform van grote hulp kan zijn bij het onderzoeken van andere soorten kwantumtransportfenomenen, zoals de door de vallei aangedreven Hall- en Nernst-effecten.

Laten we hopen dat de thermo-elektrische technologie snel evolueert, zodat we onze dromen van een milieuvriendelijkere samenleving kunnen verwezenlijken!