Odkrywając moc ciepła: cudowne właściwości termoelektryczne cienkich warstw arsenku kadmu

WarsawElektrownie, układy wydechowe samochodów i fabryki generują nadmiar ciepła. Bolin Liao, profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, wraz ze swoim zespołem pracuje nad wykorzystaniem tego ciepła. Badają one właściwości termoelektryczne cienkich warstw arsenku kadmu (Cd3As2).

Naukowcy pracują nad wychwytywaniem ciepła odpadowego w celu poprawy efektywności energetycznej. Najlepszy materiał do tego zadania powinien dobrze przewodzić prąd, słabo przewodzić ciepło oraz być w stanie wytwarzać wysokie napięcie z różnicy temperatur. Takie połączenie właściwości jest trudne do znalezienia, lecz arsenek kadmu wydaje się obiecujący.

Arsenek kadmu to rodzaj materiału znany jako diracowski półmetal. Słabo przewodzi ciepło, ale pozwala elektronowi łatwo się przemieszczać. Dzięki temu doskonale przewodzi prąd elektryczny, jednak nie generuje dużego napięcia przy różnicy temperatur. Tworzenie tego napięcia, znane jako efekt Seebecka, jest istotne dla urządzeń przekształcających ciepło w energię elektryczną.

Aby uzyskać użyteczne napięcie, potrzebna jest przerwa energetyczna. Przerwa ta to zakres energii, w którym elektrony nie mogą przewodzić. W masywnych kryształach arsenku kadmu nie występuje taka przerwa. Oto, co należy osiągnąć:

• Wysoka przewodność elektryczna.
• Niska przewodność cieplna.
• Znaczne napięcie przy występowaniu gradientu temperatury.

Zespół skorzystał z umiejętności Susanne Stemmer, naukowca materiałowego z UCSB, która specjalizuje się w tworzeniu cienkich warstw. Jej laboratorium produkuje wysokiej jakości materiały przy użyciu techniki zwanej epitaksją z wiązki molekularnej (MBE). Ta metoda tworzy materiały o grubości od kilku nanometrów do kilku mikrometrów.

Zobacz również:

Dzisiaj · 01:33

Czy magia dźwięku oczaruje osoby niewidome?

W swoim badaniu naukowcy stworzyli trzy wysokiej jakości filmy arsenku kadmu o różnych grubościach: 950 nm, 95 nm oraz 25 nm.

Cieńsze materiały wykazują wyraźną przerwę energetyczną. W małych rozmiarach mechanika kwantowa, znana jako konfinement kwantowy, tworzy tę przerwę energetyczną. To z kolei zwiększa współczynnik Seebecka, co prowadzi do wyższego napięcia wyjściowego.

Badanie wykazało, że zmniejszenie grubości materiału prowadzi do poprawy jego zdolności do zamiany ciepła na elektryczność. Współczynnik Seebecka, który ocenia tę zdolność, okazał się siedmiokrotnie lepszy niż w przypadku najlepszych obecnie dostępnych materiałów. Efekty te zaobserwowano w bardzo niskich temperaturach.

Cienkie warstwy Cd3As2 nie nadają się jeszcze do użytku w temperaturze pokojowej, ale są skuteczne w bardzo zimnych warunkach. Takie zimne warunki często występują w dziedzinach takich jak lotnictwo kosmiczne, medycyna i obliczenia kwantowe. Dobry materiał do chłodzenia w stanie stałym mógłby zastąpić szkodliwe środki chłodnicze.

To odkrycie jest przydatne w zastosowaniach niskotemperaturowych i wskazuje, że ograniczenie kwantowe może poprawić właściwości termoelektryczne. Naukowcy jako pierwsi wyodrębnili wkład stanów powierzchniowych. Ta praca ma znaczenie zarówno dla lepszego zrozumienia, jak i dla praktycznych zastosowań.