Первая комплексная характеристика необычайных термоэлектрических свойств тонких пленок арсенида кадмия

Если есть что-то, в чем мы, люди, хороши, так это производство тепла: значительные количества, и во многих случаях большую часть энергии, которую мы генерируем и вкладываем в наши системы, мы теряем в виде тепла, будь то наши приборы, наш транспорт, наши заводы и даже наша электрическая сеть.

«Отходящее тепло повсюду», — сказал профессор машиностроения Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Болин Ляо, специализирующийся на теплотехнике и возобновляемых источниках энергии. «Наши электростанции, выхлопные трубы наших автомобилей — есть так много мест, где мы создаем избыточное тепло».

На данный момент мы весьма ограничены в том, как максимально эффективно использовать это рассеивающееся тепло. Но коллеги Ляо и UCSB вместе с сотрудниками из Университета штата Огайо и Университета Гонконга продвигаются вперед в использовании этого тепла, впервые получив всестороннюю характеристику термоэлектрических свойств высококачественных тонких пленок арсенида кадмия.

«Если бы мы могли собирать это отходящее тепло, это было бы просто фантастично», — сказал он. «Это действительно повысило бы нашу энергоэффективность, и это также действительно устойчивый источник энергии».

Исследование команды опубликовано в журнале Передовые материалы.

Лучший термоэлектрический материал

«Чтобы получить высокую эффективность, нам нужно, чтобы материал хорошо проводил электричество, плохо проводил тепло и генерировал высокое напряжение для заданной разницы температур», — сказал Ляо. Плохая теплопроводность минимизирует рассеивание тепла, сохраняя разницу температур по всему материалу, что приводит к электрическому току, усиленному высокоэффективной электропроводностью материала. Напряжение, возникающее в результате температурного градиента, известно как эффект Зеебека.

Такое сочетание электрических и тепловых свойств является идеальным, но, по словам Ляо, «его очень трудно достичь на практике».

Введите арсенид кадмия (Cd₃Как₂), дираковский полуметалл с перспективными транспортными свойствами, в частности, низкой теплопроводностью и высокой подвижностью электронов.

«Мы были очень воодушевлены этим материалом и подумали: «Хорошо, это действительно комбинация этих двух замечательных свойств», — сказал Ляо. «Но есть только одна проблема. Эта проблема заключалась в том, что в дополнение к хорошей электропроводности и плохой теплопроводности, вам также нужно, чтобы этот материал мог генерировать достаточное напряжение при температурном градиенте».

Как полуметалл, арсенид кадмия превосходно проводит электричество очень быстро, но генерирует лишь очень небольшое напряжение Зеебека. Чтобы создать полезное напряжение, объяснил Ляо, нужно открыть запрещенную зону.

«Вы хотите, чтобы этот материал имел определенный диапазон энергий, в котором электроны не могут проводить ток. Это называется запрещенной зоной», — сказал он. Из-за зазора, который по сути блокирует свободный поток электронов, в ответ на разницу температур в материале может возникнуть достаточное электрическое «давление» (то есть напряжение). В объемных кристаллах арсенида кадмия запрещенная зона отсутствует.

К счастью, у команды было преимущество в виде мастерства в области тонких пленок Сюзанны Стеммер, специалиста по материалам из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Благодаря опыту в молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), лаборатория Стеммер способна «выращивать» молекулу за молекулой высококачественные материалы толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрометров. Оказывается, это особенно полезно в случае арсенида кадмия, поскольку на поверхности материала есть свойства, которые отличаются от свойств в объеме кристалла.

«Одним из признаков подобных топологических изоляторов является то, что в дополнение к электронопроводящим состояниям внутри объемного материала у них есть поверхностные проводящие каналы», — объяснил Ляо. «Есть электроны, которые находятся только на поверхности материала и могут проводить электричество».

Чтобы подготовить почву для этих топологических эффектов, лаборатория Stemmer создала три высококачественные пленки, выращенные методом МЛЭ, различной толщины: 950 нм, 95 нм и 25 нм.

«Высокая подвижность эпитаксиальных пленок арсенида кадмия позволяет раскрыть их топологическую природу посредством измерений квантового транспорта», — пояснил Стеммер.

Команда обнаружила, что чем тоньше материал, тем больше доказательств существования запрещенной зоны. И чем тоньше материал, тем сильнее доминируют поверхностные эффекты.

«По сути, если перейти к очень низким размерам, квантовая механика начинает играть свою роль, и вы можете фактически открыть запрещенную зону, просто уменьшив размер», — сказал Ляо, из-за явления, известного как квантовое ограничение. Они также обнаружили, что чем тоньше материал, тем выше термоэлектрическая чувствительность (известная как коэффициент Зеебека), что приводит к большему напряжению в ответ на температурный градиент, ответ, улучшенный в семь раз по сравнению с современным материалом.

Эти квантовые эффекты были обнаружены при околонулевых температурах, поэтому, хотя в настоящее время Cd₃Как₂ По словам Ляо, тонкие пленки не могут быть использованы для применений при комнатной температуре или высокой тепловой эффективности, они могут быть более полезны в криогенных средах, которые существуют во многих приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность, медицина и квантовые вычисления.

«Если вы используете очень эффективный твердотельный материал для охлаждения, вам не понадобятся опасные и загрязняющие окружающую среду хладагенты», — сказал он.

«С практической точки зрения это очень полезное открытие для низкотемпературного криогенного охлаждения твердого тела», — добавил он, — «но в фундаментальном плане эта работа более важна, поскольку мы впервые демонстрируем, что этот эффект квантового ограничения может улучшить некоторые термоэлектрические свойства, а также впервые изолировали вклад поверхностных состояний».