Large Nernst effect in chemically derived multilayer graphene at millitesla magnetic fields
本論文は、厚さおよびキャリア密度の揺らぎを持つ化学的製法による多層グラフェン薄膜が、ミリテスラ磁場において大きなネルンスト効果を示し、最大250 V/Kの横方向熱起電力を達成すること、およびスケーラブルな熱電エネルギー生成への潜在的可能性を浮き彫りにしていることを実証するものである。
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熱はしばしば、機械の稼働や電流の流動によって生じる、単に空気中に散逸していく副産物、すなわち「無駄なもの」と見なされます。しかし、数十年にわたり、科学者たちはこの失われた熱を直接有用な電気へと変換できる材料、すなわち熱電現象として知られるプロセスを実現できる材料を探索してきました。課題は、電気をよく通すが熱を遮断する物質を見つけることにあり、これは達成が極めて困難な組み合わせです。鉛筆の芯に使われるグラファイト（黒鉛）とその薄い親戚であるグラフェンは、豊富に存在し、優れた導電性を持つため、魅力的な候補となります。しかし、これらはこの任務において根本的な欠陥を抱えています。それらは「補償された」材料であり、正と負の電荷キャリアがほぼ同数含まれていることを意味します。これらの反対の電荷は互いに打ち消し合う傾向があり、加熱しても電圧がほとんど発生しないため、通常の条件下では発電には役に立ちません。
モスクワ物理技術研究所とスカンダ・ルス（Skanda Rus）の研究チームは、「ネルンスト効果」と呼ばれる現象を利用して、この制限を回避する方法を発見しました。この効果は、磁場の中に置かれた材料を加熱したときに起こります。ほとんどの材料では、加熱によって電荷が熱い方から冷たい方へと直線的に押し出される電圧が生じます。しかし、磁場中では、正と負の電荷は単に前方に移動するのではなく、横方向に反対方向へと偏向されます。電荷が反対であっても、同じ横方向へ移動するため、それらは打ち消し合うのではなく加算され、強力な横方向電圧を生み出すのです。歴史的に、この効果を観察するには極低温か、あるいは巨大で強力な磁石が必要であり、実用的な道具というよりは実験室物理学の好奇心の対象でした。研究者たちは、ごく普通の化学的に製造されたグラフェンの層を用いて、室温で、かつ小さな永久磁石のみを使用して、この効果を引き出すことができるかどうかを検証することに乗り出しました。
チームは、化学プロセスを通じて成長させた、厚みが変化し複雑な内部構造を持つ多層グラフェンのマクロな薄膜を用いました。彼らはこの薄膜を細長いストリップ状に成形し、磁場を制御できるステージの上に設置しました。ストリップ全体を加熱する代わりに、集束された赤外線ビームを使用して薄膜上の微小な点を加熱し、非常に特定の場所に鋭い温度差を作り出しました。レーザーのスポットを薄膜上で移動させながら、異なる接点間で発生する電圧を測定することで、磁気条件下における材料の応答をマッピングしました。
最初、磁場がない状態での結果は混沌としていました。異なる地点で測定された電圧は激しく変動し、レーザーが移動するにつれて正と負の間で変化しました。このランダムさは、薄膜の不均一な性質によって引き起こされたもので、微小な領域が正または負の電荷の独立した島のように機能していました。しかし、研究者が非常に弱い磁場を導入した瞬間、その混沌は消失しました。わずか4ミリテスラ（標準的なMRI装置で使用される力の極めてわずかな断片）という磁場強度においても、ランダムな変動は滑らかになりました。電圧は一貫して強くなり、薄膜のエッジ部分で明確に現れました。材料の長手方向に沿って流れる電圧に対し、横方向に流れる横方向電圧は、それを上回るほど成長しました。
研究者たちは、この材料が持つ横方向電圧の生成能力が極めて高いことを算出しました。テストした最も弱い磁場において、その効果は他の高性能材料で見られる最高の結果に匹らいました。磁場を315ミリテスラまで増加させると、電圧生成能力は250マイクロボルト毎ケルビンに達しました。これは、この効果が大きく、かつ有用であることを示しており、極端な冷却を必要とせず、製造が容易な材料において実現したという点で重要な発見です。また、本研究は、磁力線が熱の流れおよび結果として生じる電流の方向と一致しているときに、この効果が最も強くなることを明らかにしました。彼らは、薄膜上の特定の三角形の接点で電圧を測定することで、この条件を確認しました。
チームは、この実験の成功は、グラフェン膜内の電子と正孔の高い移動度に依存しており、それはおそらく成長過程における層同士の「ねじれ」によって強化されたものであると指摘しました。この内部構造により、電荷が磁場に対して強く反応できるほど自由に移動することが可能となりました。研究者たちは、実際に動作する発電機を構築したと主張したわけではありませんが、彼らの結果は、この材料の大規模なシートが、小さな永久磁石のみを用いて熱源からエネルギーを回収するために使用できる可能性を示唆しています。この研究は、グラファイト系材料が熱電応用には「補償されすぎている」ため役に立たないという長年の見解に異を唱え、豊富に存在し合成が容易な材料を用いて、廃熱を電気に変えるための新たな道を切り開きました。
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