Steuern des Wärmeflusses in einem Festkörper durch Umschalten der Kristallstrukturdimensionalität

So wie ein elektrischer Schalter den Stromfluss reguliert, können Thermoschalter den Wärmefluss steuern. Diese Schalter dienen als Wärmesteuergeräte und sind nützlich für Wärmemanagementanwendungen. Sie können beispielsweise in der Industrie eingesetzt werden, um Abwärme zu reduzieren, was zu Kosten- und Energieeinsparungen führt. Diese Schalter erfordern Materialien, deren Wärmeleitfähigkeit (κ) in hohem Maße moduliert werden kann. Dies würde ermöglichen, dass der Schalter abhängig von der Wärmeleitfähigkeit einen „Ein“- und einen „Aus“-Zustand hat. Solche Materialien sind jedoch selten und schwer zu entwickeln, und die bisher entwickelten zeigen nur kleine reversible Variationen in ihrem κ.

Nun, in einer Studie veröffentlicht in Fortgeschrittene elektronische Materialien, haben Forscher des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) und des National Institute for Materials Science, Japan, die Dinge mit einem Material auf die nächste Stufe gebracht, das eine große Variation in seinem κ erreichen kann, indem es seine Kristallstruktur-Dimensionalität ändert. Das Team erreichte diese bemerkenswerte Leistung durch die Verwendung einer festen Lösung aus Bleiselenid (PbSe) und Zinnselenid (SnSe), die zwischen einer dreidimensionalen (3D) kubischen Kristallstruktur und einer zweidimensionalen (2D) geschichteten Kristallstruktur wechseln kann Änderungen der Temperatur.

In Festkörpern wird Wärme durch zwei unterschiedliche Prozesse transportiert, nämlich die Schwingungen des Kristallgitters und den Fluss elektrischer Ladungsträger. Daher hängt die Wärmeleitfähigkeit eines Festkörpers sowohl von der Kristallstruktur als auch von der elektronischen Struktur ab.

In ihrer Studie konnten die Forscher unterschiedliche κ-Werte in einer (Pb0,5Sn0,5)Se-Legierung erhalten, indem sie die Dimensionalität der Kristallstruktur aufgrund der unterschiedlichen Anordnungen von Atomen und Bandlücken in jeder Kristallstruktur relativ zur anderen änderten. „Das Material, das wir für unsere Studie ausgewählt haben, sind Bulk-Polykristalle aus (Pb0,5Sn0,5)Se, die eine direkte Phasengrenze zwischen den 3D- und 2D-Kristallstrukturen aufweisen. Wir haben dies erreicht, indem wir die Hochtemperatur-Mischkristallphase thermisch auf Raumtemperatur abgeschreckt haben Temperatur“, erklärt Professor Takayoshi Katase von Tokyo Tech, der an der Studie beteiligt war.

Die Forscher konnten reversibel zwischen den Dimensionen der 3D- und 2D-Kristallstruktur der (Pb0,5Sn0,5)Se-Polykristalle umschalten, indem sie das Material einfach erhitzten und abkühlten. Im erhitzten Zustand nahm das Material eine 3D-Kristallstruktur mit einer metallischen elektronischen Struktur an, was zu einer hohen elektronischen sowie Gitter-Wärmeleitfähigkeit führte. Beim Abkühlen hingegen veränderte es sich zu einer 2D-Kristallstruktur mit einer halbleitenden elektronischen Struktur und einem stark reduzierten κ. Bei einer Temperatur von 373 K (100 °C) wurde beobachtet, dass κ für die 3D-Phase 3,6-mal höher war als das für die 2D-Phase.

Dieser neue Ansatz zur Änderung von κ könnte den Weg für die Entwicklung weiterer solcher Materialien mit potenziellen Anwendungen im Wärmemanagement ebnen. „Wir glauben, dass die vorliegende Strategie zu einem neuartigen Konzept für das Design von thermischen Schaltmaterialien führen wird, indem die Dimensionalität der Kristallstruktur über Nichtgleichgewichtsphasengrenzen hinweg geändert wird“, sagt Prof. Katase.