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Kenntnisse über den Spintransport in thermoelektrischen Geräten helfen, solche Lücken zu schließen

Bisher sind thermoelektrische Materialien ein Forschungs-Hotspot, der bei Temperaturunterschieden Spannungen erzeugen kann. Im Hinblick auf die Minimierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und die Vermeidung der globalen Energiekrise ist die thermoelektrische Energy Harvesting-Technologie eine unserer besten Entscheidungen.

Es gibt jedoch verschiedene Arten thermoelektrischer Mechanismen, und trotz neuerer Bemühungen werden einige von ihnen kaum verstanden. Eine aktuelle Studie koreanischer Wissenschaftler soll diese Wissenslücke schließen.

Einer der oben genannten Mechanismen ist der Spin-Seebeck-Effekt (SSE), der 2008 von einem Forscherteam um Professor Eiji Saitoh von der Universität Tokio, Japan, entdeckt wurde. SSE ist ein Phänomen, bei dem der Temperaturunterschied zwischen nichtmagnetischen und ferromagnetischen Materialien einen Spinstrom erzeugt.

Kenntnisse über den Spintransport in thermoelektrischen Geräten helfen, solche Lücken zu schließen

Um thermoelektrische Energie zu sammeln, ist die inverse SSE besonders wichtig. In einigen Heterostrukturen wie Yttrium-Eisen-Granat-Platin (YIG/Pt) wird der durch die Temperaturdifferenz erzeugte Spinstrom in einen geladenen Strom umgewandelt, wodurch ein Verfahren zur Stromerzeugung aus inverser SSE bereitgestellt wird.

Da diese Spin-zu-Ladung-Umwandlung bei den meisten bekannten Materialien relativ ineffizient ist, haben Forscher versucht, eine atomar dünne Schicht aus Molybdändisulfid (MoS 2) zwischen die YIG- und Pt-Schichten einzufügen. Obwohl diese Methode die Umwandlungseffizienz verbessert, ist der zugrunde liegende Mechanismus hinter der Rolle der 2D-MoS 2 -Schicht beim Spintransport noch unklar.

Um diese Wissenslücke zu schließen, führte Professor Lee Sang-kwon vom Department of Physics der Chung’an University, Südkorea kürzlich eine eingehende Studie zu diesem Thema durch, die in Nano Letters („Enhanced Spin Seebeck Thermoelectric Pt / Holey MoS 2 / Y 3 Fe 5 O 12 Hybridstruktur“). Um den Einfluss von 2D-MoS 2 auf das thermoelektrische YIG/Pt-Potential zu verstehen, nahmen viele Kollegen von der University of China and Japan und Professor Saitoh an dem Treffen teil.

Dazu präparierten die Wissenschaftler zwei YIG / MoS 2 / Pt-Proben mit unterschiedlichen Morphologien in der MoS 2 -Schicht sowie eine Referenzprobe ohne MoS 2 .

Sie bereiteten eine Messplattform vor, in der ein Temperaturgradient angelegt, ein Magnetfeld angelegt und die durch den nachfolgenden Spinstrom verursachte Spannungsdifferenz überwacht werden kann. Interessanterweise fanden sie heraus, dass die thermoelektrische Leistung der inversen SSE und der gesamten Heterostruktur je nach Größe und Art des verwendeten MoS 2 erhöht oder verringert werden kann.

Insbesondere im Vergleich zu YIG/Pt allein erzeugt die Verwendung von porösen MoS 2 -Mehrfachschichten zwischen den YIG- und Pt-Schichten eine 60%ige Steigerung der thermoelektrischen Leistung.

Durch sorgfältige theoretische und experimentelle Analysen stellten die Wissenschaftler fest, dass dieser scheinbare Anstieg durch die Förderung zweier unabhängiger Quantenphänomene verursacht wurde, die zusammen die gesamte SSE-Inverse bilden. Diese werden als inverser Spin-Hall-Effekt und als inverser Rashba-Edelstein-Effekt bezeichnet und beide erzeugen eine Spinakkumulation, die dann in einen Ladestrom umgewandelt wird.

Außerdem untersuchten sie, wie Löcher und Defekte in der MoS 2 -Schicht die magnetischen Eigenschaften der Heterostruktur verändern und dadurch den thermoelektrischen Effekt vorteilhaft verbessern.

Lee war von den Ergebnissen begeistert. Er sagte: „Unsere Forschung ist die erste, die beweist, dass die magnetischen Eigenschaften der Grenzschicht Spinfluktuationen an der Grenzfläche verursachen und schließlich die Spinakkumulation erhöhen, wodurch durch den inversen SSE-Beweis eine höhere Spannung und Wärmeleistung erzeugt wird.“

Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen einen zentralen Teil des technischen Problems thermoelektrischer Materialien dar und könnten bald praktische Bedeutung haben, wie Lee erklärte: „Unsere Entdeckung zeigt einen großflächigen thermoelektrischen Energy Harvester mit einer Zwischenschicht in YIG/Pt Die wichtige Chance System.

Sie lieferten auch die notwendigen Informationen, um die physikalischen Prinzipien der Kombination von Rashba-Edelstein-Effekt und SSE beim Spintransport zu verstehen. Er fügte hinzu, dass ihre SSE-Messplattform die Untersuchung anderer Arten von Quantentransportphänomenen, wie zum Beispiel Valley-getriebene Hall- und Nernst-Effekte, erheblich unterstützen kann.

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