Large Nernst effect in chemically derived multilayer graphene at millitesla magnetic fields
本文证明了具有厚度和载流子密度波动的化学衍生多层石墨烯薄膜在毫特斯拉磁场下表现出巨大的能斯特效应，其横向热电势值高达 250 V/K，并突显了其在可扩展热电能量生成方面的潜力。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
热量通常被视为一种浪费，是机器运转或电流流动时产生的副产品，只会消散在空气中。然而，几十年来，科学家们一直在寻找能够将这种浪费的热量直接转化为有用电能的材料，这一过程被称为热电效应。挑战在于寻找一种既能良好导电又能阻挡热量的物质，这是一种难以实现的组合。石墨（铅笔芯中的材料）及其更薄的近亲——石墨烯，含量丰富且导电性能极佳，使其成为极具吸引力的候选材料。然而，它们在执行这项任务时存在一个根本性的缺陷：它们是“补偿型”材料，这意味着它们包含数量几乎相等的正电荷和负电荷载流子。这些相反的电荷倾向于相互抵消，导致加热时几乎不产生电压，使得它们在正常条件下无法用于发电。
来自莫斯科物理技术学院和Skanda Rus的一个研究小组发现了一种利用“内尔斯特效应”（Nernst effect）绕过这一限制的方法。当一种材料在磁场中受热时，就会发生这种效应。在大多数材料中，加热会产生一种电压，将电荷沿着从热到冷的直线方向推动。但在磁场中，正电荷和负电荷会被向相反的方向侧向偏转，而不仅仅是向前移动。由于它们向同一个侧向移动，尽管电荷性质相反，它们却会相互叠加而非抵消，从而产生强大的横向电压。从历史上看，观察到这种效应需要极低的温度或巨大且强大的磁铁，这使其更像是实验室物理学中的一种奇观，而非实用的工具。研究人员的目标是观察是否可以仅使用小型永久磁铁，在室温下诱导出普通化学制备的石墨烯层中的这种效应。
该团队使用的是一种宏观的多层石墨烯薄膜，这种材料是通过一种化学过程生长出来的，其结果是形成具有变化厚度和复杂内部结构的薄片。他们将这种薄膜加工成一条长而窄的条带，并将其放置在一个可以控制磁场的平台上。研究人员并没有加热整个条带，而是使用聚焦的红外光束加热薄膜上的一个微小点，从而在非常特定的位置制造出剧烈的温差。通过移动激光点并测量薄膜不同接触点之间出现的电压，他们绘制出了材料在不同磁场条件下的热响应图。
起初，在没有磁场的情况下，结果是混乱的。在激光移动时，测得的电压在不同点位剧烈波动，在正负之间反复变化。这种随机性是由薄膜的不均匀性造成的，其中微小的区域表现得像独立的正电荷或负电荷岛屿。然而，就在研究人员引入一个极弱磁场的瞬间，这种混乱消失了。即使在仅为4毫特斯拉（仅为标准MRI机使用磁场强度的极小部分）的磁场强度下，随机波动也变得平滑了。电压变得稳定且强大，清晰地出现在薄膜边缘。这种横向流经材料侧向的电压，其规模增长到了足以匹配甚至超过沿薄膜长度方向直线流动的电压。
研究人员计算出，该材料产生这种侧向电压的能力非常高。在他们测试的最弱磁场下，这种效应已经可以与其它高性能材料中的最佳结果相媲美。随着他们将磁场增加到315毫特斯拉，电压生成能力上升到了每开尔文250微伏。这是一个重要的发现，因为它证明了内尔斯特效应可以在一种易于制造且不需要极端冷却的材料中产生巨大且有用的效果。研究还表明，当磁场线与热流及由此产生的电流方向一致时，该效应最为强烈，研究人员通过测量薄膜上特定三角形接触点的电压确认了这一点。
团队指出，该实验的成功依赖于石墨烯薄膜内电子和空穴的高迁移率，这很可能是由于生长过程中各层之间相对扭转的方式所增强的。这种内部结构使得电荷能够足够自由地移动，从而对磁场做出强烈反应。虽然研究人员并未声称已经制造出了一个工作的发电机，但他们的结果表明，这种材料的大规模薄片可以使用小型永久磁铁从热源中收集能量。这项工作挑战了长期以来认为基于石墨的材料因过于“补偿”而无法用于热电应用的观点，为利用易于合成且丰富的材料将废热转化为电能开辟了一条新途径。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。