Wetenschap
Wanorde exploiteren om warmte-energie te oogsten:de mogelijkheden van 2D-magneten voor thermo-elektrische toepassingen
Thermo-elektrische systemen zijn een groene en duurzame manier om energie te oogsten uit elke vorm van warmte die anders verloren zou gaan. De kern van dit energieomzettingsproces is het zogenaamde Seebeck-effect, dat de spanning beschrijft die wordt opgebouwd op een materiaal dat wordt blootgesteld aan een temperatuurverschil.
Ondanks meer dan 100 jaar intensief onderzoek zijn de thermo-elektrische efficiënties echter nog steeds lager dan die van conventionele warmtemotoren, waardoor thermo-elektrische systemen alleen geschikt zijn voor nichetoepassingen.
Dat is de reden waarom een van de belangrijkste inspanningen van wetenschappers vandaag de dag is om nieuwe strategieën te vinden om deze efficiëntie te verbeteren. Ons nieuwste artikel 'Impact van spin-entropie op de thermo-elektrische eigenschappen van een 2D-magneet', gepubliceerd in Nano Letters , laat zien dat een oplossing zou kunnen liggen in circuits gebaseerd op tweedimensionale (2D) magnetische lagen.
De entropie in magneten afstemmen
Thermo-elektrische eigenschappen worden aanzienlijk beïnvloed door entropie, die de wanorde in een systeem kwantificeert. Daarom kunnen alle mechanismen die dergelijke parameters verhogen de conversie-efficiëntie van het apparaat voor het oogsten van energie verbeteren.
In 2D magnetische materialen kunnen twee extra factoren de entropie veranderen:de magnetische volgorde, die een "spin-entropie" bijdrage genereert, en het aantal lagen waartoe een ladingsdrager toegang heeft in een 2D gelaagd materiaal, wat een extra "laagentropie" produceert. "
In ons artikel worden de elektrische en thermo-elektrische transporteigenschappen van de 2D-antiferromagneet CrSBr gemeten, terwijl tegelijkertijd de magnetische volgorde van het materiaal wordt gewijzigd door de monstertemperatuur te variëren of door een extern magnetisch veld aan te leggen. De studie meldt dat de thermo-elektrische respons toeneemt met de temperatuur naarmate elektronen en spins mobiliseren, en een lokaal maximum bereikt rond de magnetische faseovergang Néel-temperatuur.
Bovendien is aangetoond dat een magnetisch veld de thermo-elektrische arbeidsfactor bij lage temperaturen tot 600% kan verhogen. Deze verschijnselen worden verklaard door het samenspel van de verschillende entropiebijdragen in het materiaal en benadrukken de sterke impact die de magnetische orde heeft op de thermo-elektrische respons van 2D-magneten.
Op weg naar innovatieve energieoogsters
De resultaten die we rapporteren laten zien hoe het gebruik van magneten de grenzen van conventionele apparaten voor het oogsten van energie zou kunnen overwinnen, omdat hun thermo-elektrische eigenschappen kunnen worden geoptimaliseerd door de magnetische fase te veranderen en daardoor de impact van de spin-entropie af te stemmen.
Bovendien ontgrendelt het gebruik van 2D-materialen extra vrijheidsgraden, zoals de mogelijkheid om de overgangstemperatuur af te stemmen door middel van meerdere factoren – dat wil zeggen filmdikte, samenstelling, elektrostatische poorten – waardoor hun thermo-elektrische prestaties bij kamertemperatuur kunnen worden gemaximaliseerd. Al deze bevindingen vertegenwoordigen de eerste bouwsteen van een nieuwe manier om efficiëntere energieoogsters te ontwerpen.
Dit verhaal maakt deel uit van Science X Dialog, waar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over Science X Dialog en hoe u kunt deelnemen.