Группа ученых, возглавляемая учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab), обнаружила эти экзотические особенности в классе материалов, известных как галогенидные перовскиты, которые также считаются многообещающими кандидатами для солнечных панелей следующего поколения, наноразмерных лазеров, электронного охлаждения. , и электронные дисплеи.
Эти взаимосвязанные термические и электрические (или «термоэлектрические») свойства были обнаружены в наноразмерных проволоках из иодида цезия и олова (CsSnI3).
Материал показал один из самых низких уровней теплопроводности среди материалов с непрерывной кристаллической структурой.
Исследователи заявили, что этот так называемый монокристаллический материал также легче производить в больших количествах, чем типичные термоэлектрические материалы, такие как кремний-германий.
"Его свойства проистекают из самой кристаллической структуры. Это явление атомарного типа ", – сказал Вучул Ли, научный сотрудник лаборатории Беркли, который был ведущим автором исследования, опубликованного 31 июля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Это первые опубликованные результаты, касающиеся термоэлектрических характеристик этого монокристаллического материала.
Ранее исследователи полагали, что тепловые свойства материала являются результатом "заключенных в клетку" атомов, дребезжащих внутри кристаллической структуры материала, как это наблюдалось в некоторых других материалах.
Такое дребезжание может привести к нарушению теплопередачи в материале.
«Сначала мы думали, что это атомы цезия, тяжелого элемента, движущиеся в материале», – сказал Пейдонг Ян, старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли, который руководил исследованием.
Джеффри Гроссман, исследователь из Массачусетского технологического института, затем выполнил некоторые теоретические работы и компьютерное моделирование, которые помогли объяснить, что наблюдала команда. Исследователи также использовали в своем исследовании Molecular Foundry лаборатории Беркли, которая специализируется на наноразмерных исследованиях.
"Мы считаем, что по сути это дребезжащий механизм, и не только цезий. Дребезжит общая структура; это коллективный грохот ", – сказал Ян. «Дребезжащий механизм связан с самой кристаллической структурой» и не является продуктом набора крошечных кристаллических клеток. «Это групповое движение атома», – добавил он.
В кристаллической структуре материала расстояние между атомами сокращается и увеличивается коллективно, что препятствует легкому прохождению тепла через него.
Но поскольку материал состоит из упорядоченной монокристаллической структуры, электрический ток все еще может течь через него, несмотря на это коллективное дребезжание. Представьте, что его электрическая проводимость подобна подводной лодке, плавно движущейся в спокойных подводных течениях, а ее теплопроводность подобна парусной лодке, которую бросает в шторм на поверхности.
Ян сказал, что два основных применения термоэлектрических материалов – охлаждение и преобразование тепла в электрический ток.
По его словам, для этого конкретного материала иодистого цезия и олова может быть легче достичь охлаждения, такого как покрытие, помогающее охлаждать датчики электронной камеры, чем преобразование тепла в электрическое.
Проблема заключается в том, что материал очень реактивен по отношению к воздуху и воде, поэтому для работы в устройстве требуется защитное покрытие или капсула.
Йодид цезия и олова был впервые обнаружен в качестве полупроводникового материала несколько десятилетий назад, и только в последние годы он был обнаружен заново по другим уникальным свойствам, сказал Ян. «Оказывается, это потрясающая золотая жила с физическими свойствами», – отметил он.
Чтобы измерить теплопроводность материала, исследователи соединили два островка закрепляющего материала нанопроволокой из иодида цезия-олова. Нанопроволока была подключена с обоих концов к микровостровкам, которые функционировали как нагреватель и термометр. Исследователи нагрели один из островов и точно измерили, как нанопроволока переносит тепло на другой остров.
Они также выполнили сканирующую электронную микроскопию, чтобы точно измерить размеры нанопроволоки. Они использовали эти размеры, чтобы точно определить теплопроводность материала.
Команда повторила эксперимент с несколькими различными материалами нанопроволоки и несколькими образцами нанопроволок, чтобы сравнить термоэлектрические свойства и проверить измерения теплопроводности.
«Следующим шагом будет легирование этого материала (йодид цезия и олова)», – сказал Ли. «Это может улучшить термоэлектрические свойства."
Точно так же, как производители компьютерных микросхем вживляют ряд элементов в кремниевые пластины для улучшения их электронных свойств – процесс, известный как «легирование», – ученые надеются использовать аналогичные методы для более полного использования термоэлектрических свойств этого полупроводникового материала. Ян сказал, что это относительно неизведанная территория для этого класса материалов.