Large Nernst effect in chemically derived multilayer graphene at millitesla magnetic fields
Diese Arbeit zeigt, dass chemisch gewonnene Multilagen-Graphenfilme mit Dicken- und Ladungsträgerdichtefluktuationen einen großen Nernst-Effekt bei Magnetfeldern im Millitesla-Bereich aufweisen, wobei transversale Thermospannungswerte von bis zu 250 V/K erreicht werden, was ihr Potenzial für die skalierbare thermoelektrische Energiegewinnung hervorhebt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Wärme wird oft als Abfall betrachtet, ein Nebenprodukt von laufenden Maschinen oder fließendem Strom, der einfach in die Luft dissipiert. Doch seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Materialien, die diese verschwendete Wärme direkt wieder in nützlichen Strom umwandeln können, ein Prozess, der als Thermoelektrizität bekannt ist. Die Herausforderung besteht darin, eine Substanz zu finden, die Strom gut leitet, aber Wärme blockiert – eine schwierige Kombination. Graphit, das Material in Bleistiften, und sein dünnerer Verwandter Graphen sind reichlich vorhanden und hervorragende Leiter, was sie zu attraktiven Kandidaten macht. Sie besitzen jedoch einen grundlegenden Makel für diese Aufgabe: Sie sind „kompensierte“ Materialien, was bedeutet, dass sie nahezu gleiche Zahlen an positiven und negativen Ladungsträgern enthalten. Diese entgegengesetzten Ladungen neigen dazu, sich gegenseitig aufzuheben, was zu fast keiner Spannung führt, wenn sie erhitzt werden, wodurch sie unter normalen Bedingungen zur Stromerzeugung unbrauchbar sind.
Ein Team von Forschern des Moscow Institute of Physics and Technology und Skanda Rus hat einen Weg entdeckt, diese Einschränkung mithilfe eines Phänomens namens Nernst-Effekt zu umgehen. Dieser Effekt tritt auf, wenn ein Material erhitzt wird, während es sich in einem Magnetfeld befindet. In den meisten Materialien erzeugt Hitze eine Spannung, die die Ladungen in einer geraden Linie von heiß nach kalt treibt. Aber in einem Magnetfeld werden die positiven und negilen Ladungen in entgegengesetzte Richtungen zur Seite abgelenkt, anstatt sich nur vorwärts zu bewegen. Da sie sich trotz ihrer entgegengesetzten Ladungen in dieselbe seitliche Richtung bewegen, addieren sie sich, anstatt sich aufzuheben, wodurch eine starke Transversalspannung entsteht. Historisch gesehen erforderte die Beobachtung dieses Effekts extrem kalte Temperaturen oder massive, starke Magnete, was ihn eher zu einer Kuriosität der Laborphysik als zu einem praktischen Werkzeug machte. Die Forscher setzten sich zum Ziel zu prüfen, ob dieser Effekt aus gewöhnlichen, chemisch hergestellten Graphenschichten bei Raumtemperatur unter Verwendung eines kleinen Permanentmagneten hervorgerufen werden kann.
Das Team arbeitete mit einem makroskopischen Film aus mehrschichtigem Graphen, einem Material, das durch einen chemischen Prozess gewachsen ist, der zu einer Schicht mit variierender Dicke und einer komplexen internen Struktur führt. Sie formten diesen Film zu einem langen, schmalen Streifen und platzierten ihn auf einem Tisch, auf dem sie das Magnetfeld steuern konnten. Anstatt den gesamten Streifen zu erhitzen, verwendeten sie einen fokussierten Infrarotstrahl, um einen winzigen Punkt auf dem Film zu erhitzen, wodurch ein scharfer Temperaturunterschied an einer ganz spezifischen Stelle entstand. Indem sie diesen Laserpunkt über den Film bewegten und die Spannung maßen, die zwischen verschiedenen Kontakten auftrat, kartierten sie, wie das Material auf Wärme unter verschiedenen magnetischen Bedingungen reagierte.
Zuerst waren die Ergebnisse ohne Magnetfeld chaotisch. Die gemessene Spannung an verschiedenen Punkten fluktuierte wild und änderte sich von positiv zu negativ, während sich der Laser bewegte. Diese Zufälligkeit wurde durch die unebene Natur des Films verursacht, in dem winzige Regionen wie separate Inseln positiver oder negativer Ladung fungierten. Doch in dem Moment, als die Forscher ein sehr schwaches Magnetfeld einführten, verschwand das Chaos. Selbst bei einer Feldstärke von nur 4 Millitesla – einem winzigen Bruchteil der Kraft, die ein Standard-MRT-Gerät verwendet – glätteten sich die zufälligen Fluktuationen. Die Spannung wurde konsistent und stark und trat deutlich an den Kanten des Films auf. Die Transversalspannung, die seitlich durch das Material fließt, wuchs an, bis sie der Spannung, die gerade entlang der Länge des Films fließt, entsprach oder diese sogar übertraf.
Die Forscher berechneten, dass die Fähigkeit des Materials, diese seitliche Spannung zu erzeugen, bemerkenswert hoch war. Bei dem schwächsten getesteten Feld war der Effekt bereits vergleichbar mit den besten Ergebnissen anderer Hochleistungsmaterialien. Als sie das Magnetfeld auf 315 Millitesla erhöhten, stieg die Spannungsgenerierungskapazität auf 250 Mikrovolt pro Kelvin. Dies ist ein bedeutender Befund, da er zeigt, dass der Nernst-Effekt in einem Material groß und nützlich sein kann, das leicht herzustellen ist und keine extreme Kühlung erfordert. Die Studie zeigte auch, dass der Effekt am stärksten ist, wenn die Magnetfeldlinien mit der Richtung des Wärmeflusses und des resultierenden Stroms übereinstimmen, eine Bedingung, die sie bestätigten, indem sie die Spannung an spezifischen dreieckigen Kontakten auf dem Film maßen.
Das Team stellte fest, dass der Erfolg dieses Experiments auf der hohen Mobilität der Elektronen und Löcher innerhalb des Graphenfilms beruhte, was wahrscheinlich durch die Art und Weise verstärkt wurde, wie die Schichten während des Wachstums relativ zueinander verdreht waren. Diese interne Struktur ermöglichte es den Ladungen, sich frei genug zu bewegen, um stark auf das Magnetfeld zu reagieren. Obwohl die Forscher nicht behaupteten, einen funktionierenden Stromgenerator gebaut zu haben, legen ihre Ergebnisse nahe, dass großflächige Schichten dieses Materials verwendet werden könnten, um Energie aus Wärmequellen unter Verwendung kleiner Permanentmagnete zu gewinnen. Die Arbeit stellt die lang gehegte Ansicht in Frage, dass graphitbasierte Materialien zu „kompensiert“ für thermoelektrische Anwendungen sind, und eröffnet einen neuen Weg, um verschwendete Wärme unter Verwendung von Materialien, die reichlich vorhanden und leicht zu synthetisieren sind, in Elektrizität umzuwandeln.
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