열의 힘을 활용하다: 카드뮴 아세나이드 박막의 놀라운 열전 특성 발견

Seoul발전소, 자동차 배기, 공장에서 나오는 여분의 열이 발생합니다. 캘리포니아 대학교 산타 바바라의 기계공학 교수인 볼린 리아오는 그의 팀과 함께 이 열을 활용하는 연구를 진행하고 있습니다. 그들은 고품질의 비소화 카드뮴(Cd3As2) 얇은 필름의 열전 특성을 연구했습니다.

연구자들은 에너지 효율성을 높이기 위해 폐열을 포착하는 방법을 연구하고 있습니다. 이를 위해서는 전기를 잘 전도하고, 열은 잘 전도하지 않으며, 온도 차이로부터 높은 전압을 생성할 수 있는 소재가 필요합니다. 이러한 특성들의 조합을 찾기란 쉽지 않지만, 비소화 카드뮴이 유망하게 보입니다.

카드뮴 비소는 디랙 준금속으로 알려진 소재의 일종입니다. 이 소재는 열 전도율이 좋지 않지만 전자가 쉽게 이동할 수 있어 전기 전도에는 탁월합니다. 하지만 온도 차가 있을 때 전압을 많이 생성하지는 않습니다. 이 전압 생성은 제벡 효과라고 불리며, 이는 열을 전기로 변환하는 기기에서 중요합니다.

유용한 전압을 생성하기 위해서는 밴드 갭이 필요하다. 밴드 갭은 전자가 전도를 할 수 없는 에너지 범위를 의미한다. 벌크 상태의 비소화 카드뮴 결정에서는 밴드 갭이 존재하지 않는다. 다음과 같은 목표를 달성해야 한다:

• 높은 전기 전도성.
• 낮은 열 전도성.
• 온도 차이가 있을 때 충분한 전압.

그 팀은 박막 제작에 전문성이 있는 UCSB 소재 과학자 수잔 슈템머의 기술 덕분에 이익을 얻었다. 그녀의 연구실은 분자 선속 에피택시(MBE)라는 공정을 사용하여 고품질의 소재를 생산한다. 이 방법은 두께가 몇 나노미터에서 여러 마이크로미터에 이르는 소재를 만든다.

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이 연구에서는 세 가지 두께의 고품질 카드뮴 비소 필름을 제작했습니다:

• 950 nm
• 95 nm
• 25 nm

얇은 재료는 뚜렷한 밴드 갭을 보여줍니다. 작은 크기에서는 양자역학, 즉 양자 구속 현상이 이 밴드 갭을 형성합니다. 이는 제벡 계수를 증가시켜 전압 출력을 향상시킵니다.

연구에 따르면, 재료가 얇아질수록 열을 전기로 변환하는 능력이 향상된다는 사실이 밝혀졌습니다. 제백 계수는 이러한 능력을 측정하는 지표로, 현재 사용 가능한 최고의 재료보다 7배나 더 뛰어난 성능을 보였습니다. 이러한 효과는 매우 낮은 온도에서 관찰되었습니다.

Cd3As2 박막은 상온에서는 아직 적합하지 않지만, 매우 낮은 온도 환경에서는 효과적입니다. 이러한 차가운 환경은 주로 항공우주, 의학, 양자 컴퓨팅과 같은 분야에서 볼 수 있습니다. 좋은 고체 냉각 재료가 해로운 냉매를 대체할 수 있습니다.

이 연구 결과는 저온 환경에서 유용하며, 양자 구속이 열전 특성을 개선할 수 있음을 보여줍니다. 연구자들은 표면 상태의 기여를 최초로 분리해낸 사람들입니다. 이 연구는 더 나은 이해와 실용적인 응용 모두에 중요합니다.