Large Nernst effect in chemically derived multilayer graphene at millitesla magnetic fields
Dit artikel toont aan dat chemisch afgeleide meerlagige grafeenfilms met fluctuaties in dikte en ladingsdichtheid een groot Nernst-effect vertonen bij millitesla magnetische velden, waarbij transversale thermospanningen tot 250 V/K worden bereikt, wat hun potentieel voor schaalbare thermo-elektrische energieopwekking benadrukt.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Warmte wordt vaak gezien als afval, een bijproduct van draaiende machines of stromende elektriciteit dat simpelweg in de lucht verdwijt. Toch zoeken wetenschappers al decennia naar materialen die deze verspilde warmte direct kunnen omzetten in nuttige elektriciteit, een proces dat bekendstaat als thermo-elektriciteit. De uitdaging ligt in het vinden van een stof die elektriciteit goed geleidt maar warmte blokkeert, een moeilijke combinatie om te realiseren. Grafiet, het materiaal dat in potlood blijft, en zijn dunnere neef, grafeen, zijn overvloedig aanwezig en uitstekende geleiders, wat hen aantrekkelijke kandidaten maakt. Ze hebben echter een fundamenteel gebrek voor deze taak: ze zijn "gecompenseerde" materialen, wat betekent dat ze bijna gelijke aantallen positieve en negatieve ladingdragers bevatten. Deze tegenovergestelde ladingen hebben de neiging elkaar op te heffen, wat resulteert in bijna geen spanning wanneer ze worden verhit, waardoor ze onder normale omstandigheden onbruikbaar zijn voor het opwekken van vermogen.
Een team onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology en Skanda Rus heeft een manier ontdekt om deze beperking te omzeilen met behulp van een fenomeen dat het Nernst-effect wordt genoemd. Dit effect treedt op wanneer een materiaal wordt verhit terwijl het zich in een magnetisch veld bevindt. In de meeste materialen creëert verhitting een spanning die ladingen in een rechte lijn van warm naar koud duwt. Maar in een magnetisch veld worden de positieve en negatieve ladingen zijwaarts in tegengestelde richtingen afgebogen, in plaats van alleen naar voren te bewegen. Omdat ze ondanks hun tegenovergestelde ladingen in dezelfde zijwaartse richting bewegen, tellen ze bij elkaar op in plaats van elkaar op te heffen, wat een sterke transversale spanning creëert. Historisch gezien vereiste het observeren van dit effect extreem lage temperaturen of enorme, krachtige magneten, waardoor het een curiositeit voor laboratoriumfysica was in plaats van een praktisch hulpmiddel. De onderzoekers wilden zien of dit effect uit gewone, chemisch geproduceerde lagen grafeen kon worden gehaald bij kamertemperatuur met behulp van slechts één kleine, permanente magneet.
Het team werkte met een macroscopische film van meerlagig grafeen, een materiaal dat door een chemisch proces wordt gekweekt en resulteert in een vel met variërende dikte en een complexe interne structuur. Ze vormden deze film tot een lange, smalle strook en plaatsten deze op een podium waar ze het magnetische veld konden controleren. In plaats van de hele strook te verhitten, gebruikten ze een gefocuste infrarode lichtstraal om een klein puntje op de film te verhitten, waardoor een scherp temperatuurverschil op een zeer specifieke locatie ontstond. Door deze laserplek over de film te bewegen en de spanning te meten die tussen verschillende contacten ontstond, brachten ze in kaart hoe het materiaal reageerde op warmte onder verschillende magnetische omstandigheden.
In het begin, zonder magnetisch veld, waren de resultaten chaotisch. De gemeten spanning op verschillende punten fluctueerde wild, veranderend van positief naar negatief naarmate de laser bewoog. Deze willekeur werd veroorzaakt door de ongelijkmatige aard van de film, waarbij minuscule regio's fungeerden als aparte eilanden van positieve of negatieve lading. Echter, op het moment dat de onderzoekers een zeer zwak magnetisch veld introduceerden, verdween de chaos. Zelfs bij een veldsterkte van slechts 4 millitesla — een minuscuul fractie van de kracht die in een standaard MRI-apparaat wordt gebruikt — werden de willekeurige fluctuaties gladgestreken. De spanning werd consistent en sterk, en verscheen duidelijk aan de randen van de film. De transversale spanning, die zijwaarts door het materiaal stroomt, groeide om die van de spanning die recht langs de lengte van het film te evenaren en zelfs te overtreffen.
De onderzoekers berekenden dat het vermogen van het materiaal om deze zijwaartse spanning te genereren opmerkelijk hoog was. Bij het zwakste veld dat ze testten, was het effect al vergelijkbaar met de beste resultaten gezien bij andere hoogwaardige materialen. Terwijl ze het magnetische veld verhoogden naar 315 millitesla, steeg het vermogen tot genereren van spanning naar 250 microvolt per kelvin. Dit is een belangrijke bevinding omdat het aantoont dat het Nernst-effect groot en bruikbaar kan zijn in een materiaal dat gemakkelijk te produceren is en geen extreme koeling vereist. De studie onthulde ook dat het effect het sterkst is wanneer de magnetische veldlijnen in de richting van de warmtestroom en de resulterende stroom liggen, een conditie die ze bevestigden door de spanning te meten bij specifieke driehoekige contacten op de film.
Het team merkte op dat het succes van dit experiment vertrouwde op de hoge mobiliteit van de elektronen en gaten binnen de grafeenfilm, wat waarschijnlijk werd versterkt door de manier waarop de lagen ten opzichte van elkaar gedraaid waren tijdens de groei. Deze interne structuur stelde de ladingen in staat om vrij genoeg te bewegen om sterk te reageren op het magnetische veld. Hoewel de onderzoekers niet beweerden een werkende energiegenerator te hebben gebouwd, suggereren hun resultaten dat grootschalige vellen van dit materiaal gebruikt kunnen worden om energie te oogsten uit warmtebronnen met behulp van slechts kleine, permanente magneten. Het werk daagt de langdurig gehouden opvatting uit dat grafietgebaseerde materialen te "gecompenseerd" zijn om nuttig te zijn voor thermo-elektrische toepassingen, en opent een nieuw pad voor het omzetten van restwarmte in elektriciteit met behulp van materialen die overvloedig aanwezig zijn en gemakkelijk te synthetiseren zijn.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.