Cadmiumarsenidets tunna filmer: en ny studie visar imponerande termoelektriska egenskaper

StockholmÖverskottsvärme produceras av kraftverk, bilavgaser och fabriker. Bolin Liao, en professor i maskinteknik vid UC Santa Barbara, och hans team arbetar med att utnyttja denna värme. De har undersökt de termoelektriska egenskaperna hos högkvalitativa tunna filmer av kadmiumarsenid (Cd3As2).

Forskare arbetar med att utnyttja spillvärme för att öka energieffektiviteten. Det bästa materialet för detta behöver vara bra på att leda elektricitet, dåligt på att leda värme och kunna generera en hög spänning från en temperaturdifferens. Denna kombination av egenskaper är svår att hitta, men kadmiumarsenid verkar lovande.

Kadmiumarsenid är en typ av material känt som ett Dirac-semimetall. Det leder inte värme särskilt bra men tillåter elektroner att röra sig enkelt. Detta gör det utmärkt för att leda elektricitet, men det genererar inte mycket spänning när det finns en temperaturskillnad. Denna spänningsgenerering, kallad Seebeck-effekten, är viktig för enheter som omvandlar värme till elektricitet.

För att generera en användbar spänning behövs ett bandgap. Ett bandgap är ett energiområde där elektroner inte kan leda ström. I kristaller av kadmiumarsenid finns det inget bandgap. Följande mål behöver uppnås:

• Hög elektrisk ledningsförmåga.
• Dålig termisk ledningsförmåga.
• En betydande spänning vid en temperaturgradient.

Teamet drog nytta av färdigheterna hos materialforskaren Susanne Stemmer från UCSB, som är expert på att skapa tunna filmer. Hennes laboratorium framställer material av hög kvalitet med en metod som kallas molecular beam epitaxy (MBE). Denna teknik tillverkar material som är bara några nanometer till flera mikrometer tjocka.

Läs också:

Idag · 01:33

Kan ljudmagi fängsla blinda sinnen? Ny studie.

I sin studie tillverkade de tre kadmiumarsenidfilmer av hög kvalitet med varierande tjocklek: 950 nm, 95 nm och 25 nm.

Tunnare material uppvisar ett tydligt bandgap. Vid små storlekar bildas detta bandgap av kvantmekanik, känt som kvantinlåsning. Detta ökar Seebeck-koefficienten, vilket i sin tur höjer spänningen.

Studien visade att när materialet är tunnare förbättras dess förmåga att omvandla värme till elektricitet. Seebeck-koefficienten, som mäter denna förmåga, var sju gånger bättre än det bästa materialet som finns tillgängligt idag. Dessa effekter observerades vid mycket låga temperaturer.

Cd3As2-tunnfilmer är ännu inte lämpade för användning vid rumstemperatur, men de fungerar effektivt i mycket kalla miljöer. Sådana kalla miljöer återfinns ofta inom områden som rymdteknik, medicin och kvantdatorer. Ett bra material för solid-state-kylning skulle kunna ersätta skadliga köldmedel.

Denna upptäckt är värdefull för användningar vid låga temperaturer och visar att kvantinfångning kan förbättra termoelektriska egenskaper. Forskarna var de första att framgångsrikt separera bidraget från yttillstånd. Detta arbete är betydelsefullt både för att bättre förstå och för praktiska tillämpningar.