Eine neue Art, die atomare Struktur eines Materials mit ultraschnellem Laserlicht zu formen

Thermoelektrische Materialien wandeln Wärme in Strom um und umgekehrt, und ihre atomare Struktur hängt eng mit ihrer Leistung zusammen.

Jetzt haben Forscher herausgefunden, wie man die atomare Struktur eines hocheffizienten thermoelektrischen Materials, Zinnselenid, mit intensiven Laserlichtpulsen verändern kann. Dieses Ergebnis eröffnet einen neuen Weg zur Verbesserung von Thermoelektrika und einer Vielzahl anderer Materialien durch Kontrolle ihrer Struktur, wodurch Materialien mit dramatischen neuen Eigenschaften geschaffen werden, die in der Natur möglicherweise nicht vorkommen.

„Für diese Klasse von Materialien ist das extrem wichtig, weil ihre funktionellen Eigenschaften mit ihrer Struktur zusammenhängen“, sagte Yijing Huang, ein Doktorand der Stanford University, der eine wichtige Rolle bei den Experimenten am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums spielte. „Indem Sie die Art des Lichts ändern, das Sie einbringen, können Sie die Art des von Ihnen erstellten Materials anpassen.“

Die Experimente fanden an SLACs Freie-Elektronen-Röntgenlaser, der Linac Coherent Light Source (LCLS), statt. Die Ergebnisse wurden heute in veröffentlicht Körperliche Überprüfung X und werden in einer speziellen Sammlung hervorgehoben, die der ultraschnellen Wissenschaft gewidmet ist.

Hitze gegen Licht

Da Thermoelektrika Abwärme in Strom umwandeln, gelten sie als grüne Energie. Thermoelektrische Generatoren lieferten Strom für das Apollo-Mondlandeprojekt, und Forscher haben nach Möglichkeiten gesucht, sie zu nutzen, um unter anderem die menschliche Körperwärme in Strom zum Aufladen von Geräten umzuwandeln. Wenn sie rückwärts laufen, erzeugen sie einen Wärmegradienten, der zum Kühlen von Wein in Kühlschränken ohne bewegliche Teile verwendet werden kann.

Zinnselenid gilt als eines der vielversprechendsten thermoelektrischen Materialien, die als einzelne Kristalle gezüchtet werden, die relativ billig und einfach herzustellen sind. Im Gegensatz zu vielen anderen thermoelektrischen Materialien ist Zinnselenid bleifrei, sagte Huang, und es ist ein viel effizienterer Wärmewandler. Da es aus regelmäßigen würfelförmigen Kristallen besteht, ähnlich denen von Steinsalz, ist es auch relativ einfach herzustellen und zu basteln.

Um zu untersuchen, wie diese Kristalle auf Licht reagieren, traf das Team Zinnselenid mit intensiven Pulsen von Nahinfrarot-Laserlicht, um seine Struktur zu verändern. Das Licht regte Elektronen in den Atomen der Probe an und verschob die Positionen einiger dieser Atome, wodurch ihre Anordnung verzerrt wurde.

Dann verfolgten und maßen die Forscher diese atomaren Bewegungen und die daraus resultierenden Änderungen in der Kristallstruktur mit Röntgenpulsen aus LCLS-Laserlicht, die schnell genug sind, um Änderungen zu erfassen, die in nur Millionstel einer Milliardstel Sekunde stattfinden.

„Sie brauchen die ultraschnellen Pulse und die atomare Auflösung, die uns LCLS bietet, um zu rekonstruieren, wohin sich die Atome bewegen“, sagte der Co-Autor der Studie, David Reis, Professor am SLAC und Stanford und Direktor des Stanford PULSE Institute. „Ohne das hätten wir die Geschichte falsch verstanden.“

Ein verblüffendes Ergebnis

Dieses Ergebnis war ziemlich unerwartet, und als Huang dem Rest des Teams erzählte, was sie in den Experimenten gesehen hatte, fiel es ihnen schwer, ihr zu glauben.

Eine erprobte Methode zur Veränderung der atomaren Struktur von Zinnselenid ist die Anwendung von Wärme, die das Material auf vorhersagbare Weise verändert und dieses spezielle Material tatsächlich leistungsfähiger macht. Die gängige Meinung war, dass die Anwendung von Laserlicht fast das gleiche Ergebnis erzielen würde wie das Erhitzen.

„So hatten wir ursprünglich gedacht, dass es passieren würde“, sagte SLAC-Wissenschaftler Mariano Trigo, Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) am SLAC.

„Aber nach fast zweijähriger Diskussion überzeugte Yijing den Rest des Teams schließlich davon, dass wir das Material in Richtung einer völlig anderen Struktur treiben. Ich denke, dieses Ergebnis widerspricht der Intuition der meisten Menschen darüber, was passiert, wenn man Elektronen zu höherer Energie anregt Ebenen.“

Theoretische Berechnungen von Shan Yang, einem Doktoranden an der Duke University, bestätigten, dass diese Interpretation der experimentellen Daten richtig war.

„Dieses Material und seine Klasse sind sicherlich sehr interessant, da es sich um ein System handelt, bei dem kleine Änderungen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen können“, sagte Reis. „Aber die Fähigkeit, mit Licht völlig neue Strukturen zu schaffen – Strukturen, von denen wir nicht wissen, wie man sie auf andere Weise herstellt – ist vermutlich universeller als das.“

Ein Bereich, in dem es nützlich sein könnte, fügte er hinzu, ist die jahrzehntelange Suche nach Supraleitern – Materialien, die Elektrizität verlustfrei leiten – die bei nahe Raumtemperatur arbeiten.