Außergewöhnlich großer transversaler thermoelektrischer Effekt, der durch die Kombination thermoelektrischer und magnetischer Materialien entsteht

Ein NIMS-Forschungsteam hat zum ersten Mal gezeigt, dass ein einfacher Stapel aus thermoelektrischen und magnetischen Materialschichten einen wesentlich größeren transversalen thermoelektrischen Effekt – Energieumwandlung zwischen elektrischen und Wärmeströmen, die darin orthogonal zueinander fließen – aufweisen kann als bestehende magnetische Materialien ist in der Lage, den anomalen Nernst-Effekt zu zeigen. Dieser Mechanismus kann zur Entwicklung neuer Arten von thermoelektrischen Geräten genutzt werden, die bei der Energiegewinnung und der Wärmeflussmessung nützlich sind.

Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Fortgeschrittene Wissenschaft.

Auf dem Seebeck-Effekt basierende thermoelektrische Technologien, die Abwärme und andere Wärmequellen in Strom umwandeln können, wurden in den letzten Jahren umfassend erforscht. Der Seebeck-Effekt erzeugt normalerweise einen elektrischen Strom, der parallel zum zugehörigen Wärmefluss fließt (dh ein longitudinaler thermoelektrischer Effekt). Diese physikalische Einschränkung erfordert auf dem Seebeck-Effekt basierende Geräte mit komplexen Strukturen, was zu einer kürzeren Lebensdauer und höheren Herstellungskosten führt.

Andererseits können thermoelektrische Geräte durch die Nutzung transversaler thermoelektrischer Effekte wie des anomalen Nernst-Effekts viel einfachere Strukturen haben als Geräte, die auf dem Seebeck-Effekt basieren, was sie möglicherweise für die Energiegewinnung und Wärmeflussmessung nützlich macht. Allerdings ist die Leistung der thermoelektrischen Umwandlung bei Raumtemperatur, die sich aus dem anomalen Nernst-Effekt ergibt, derzeit sehr gering – bei einem Temperaturunterschied von 1 K bei Raumtemperatur können weniger als 10 μV Strom erzeugt werden – was einen großen Nachteil darstellt.

Das Forschungsteam stellte einen thermoelektrischen Verbundwerkstoff mit einer sehr einfachen Struktur her – ein Paar Schichten aus thermoelektrischem und magnetischem Material, die dicht übereinander gestapelt waren, so dass Elektrizität über sie fließen konnte. Dieses Gerät war in der Lage, einen transversalen thermoelektrischen Effekt zu zeigen, der erheblich größer war als der, der allein von vorhandenen magnetischen Materialien erzeugt wird, die in der ersten experimentellen Demonstration dieser Art in der Lage sind, den anomalen Nernst-Effekt zu zeigen.

Um den großen transversalen thermoelektrischen Effekt zu erreichen, erstellte das Team zunächst ein theoretisches Modell und schätzte das optimale Dickenverhältnis zwischen dem gepaarten thermoelektrischen Siliziumsubstrat (Si), das einen großen Seebeck-Effekt zeigen kann, und der dünnen magnetischen Eisen-Gallium-Legierung (Fe-Ga). Film. Anschließend stapelte das Team den Fe-Ga-Dünnfilm mit dem optimalen Dickenverhältnis auf ein Si-Substrat. Dieser Verbund erzeugte eine maximale Ausgangsspannung von 15,2 μV/K – etwa sechsmal höher als die, die die Fe-Ga-Legierung allein erzeugte (2,4 μV/K), basierend auf dem anomalen Nernst-Effekt.

Das Team zeigte, dass eine einfache Schichtstruktur, die aus einem Paar thermoelektrischer und magnetischer Materialschichten in direktem Kontakt besteht, einen deutlich größeren transversalen thermoelektrischen Effekt erzeugen kann als magnetische Materialien, die bei alleiniger Verwendung den anomalen Nernst-Effekt zeigen können. Es wird erwartet, dass dieser Verbundstoff in einer Vielzahl praktischer thermoelektrischer Geräte anwendbar ist.

In Zukunft wird die Forschung auf große Schüttgüter ausgeweitet, die für praktische Anwendungen benötigt werden, um durch Anwendungen thermoelektrischer Stromerzeugungsgeräte zur Energieeinsparung der Gesellschaft beizutragen.

Dieses Projekt wurde von Weinan Zhou (ICYS Research Fellow, International Center for Young Scientists, NIMS), Yuya Sakuraba (Gruppenleiterin, Magnetic Functional Device Group, Research Center for Magnetic and Spintronic Materials (CMSM), NIMS) und Ken-ichi durchgeführt Uchida (Distinguished Group Leader, Spin Caloritronics Group, CMSM, NIMS) und Taisuke Sasaki (Gruppenleiter, Nanostructure Analysis Group, CMSM, NIMS).