Gömülü platin kanalları, toplu malzemelere nano ölçekli spin tabanlı termoelektrik dönüşüm getiriyor

NIMS ve Tokyo Üniversitesi’nden ortak bir araştırma ekibi, manyetik yalıtkan tozların yüzeylerini bir metalle kaplayıp sinterleyerek malzeme boyunca üç boyutlu nano arayüzlerin dağıtıldığı yeni bir kompozit geliştirdi. Ekip, bu yapıyı kullanarak, daha önce yalnızca nano ölçekli ince film arayüzlerinde makro ölçekli bir malzemede gözlemlenen bir olgu olan bir yalıtkandaki dönüşler tarafından tahrik edilen termoelektrik dönüşümü gözlemlemeyi başardı.

Bu araştırma şu tarihte yayınlandı: Doğa İletişimi.

Etrafımızdaki büyük miktardaki atık ısıyı ve kullanılmamış ısıyı elektrik enerjisi olarak kullanan termoelektrik dönüşüm, enerji kullanımı verimliliğini artırmak ve karbon nötrlüğü sağlamak için temel teknolojilerden biridir. Spin Seebeck etkisi, 2008 yılında Japonya’da keşfedilen ve manyetik bir malzemeye sıcaklık gradyanının uygulanmasının, spin akımları yoluyla termoelektrik dönüşümü mümkün kıldığı fiziksel bir olgudur.

Bununla birlikte, geleneksel spin Seebeck cihazları, manyetik bir malzeme ve ince bir metal filmden oluşan katmanlı bir yapı kullanır ve bu, daha fazla cihaz kalınlığı veya ek katmanlar yoluyla çıkış gücündeki artışları sınırlandırır.

İnce filmlerden topluya

Bu çalışmada araştırma ekibi, manyetik bir yalıtkan olan itriyum demir garnet (YIG) tozunun yüzeylerini platin (Pt) ile kapladı ve YIG/Pt nano ölçekli arayüzlerin malzeme boyunca üç boyutlu olarak dağıtıldığı toplu bir kompozit geliştirmek için yüksek basınç altında düşük sıcaklıkta sinterledi.

Geleneksel ince film katmanlı cihazlardan farklı olarak bu kompozit, yığın boyunca dağıtılmış arayüzleri kullanarak spin Seebeck etkisi yoluyla termoelektrik dönüşüm elde edebilir.

Gömülü metal kanallar aracılığıyla ölçeklendirme

Ekip, spin Seebeck etkisinin, üretilen YIG-Pt toplu kompozitte üretildiğini ve malzeme içinde dağıtılmış metal kanalların kullanılmasının, kalınlık yönünde ölçeklendirmeyi kolaylaştırdığını gösterdi.

Bu araştırma, nano ölçekli bir arayüzey olgusunu makro ölçekli enerji dönüşümüne genişleten ölçek ötesi spin Seebeck etkisi kavramını göstermektedir. Ek olarak, üç boyutlu bir malzeme boyunca nano ölçekli arayüzler oluşturarak, daha önce ince film arayüzleriyle sınırlı olan spin bazlı bir termoelektrik olgusu, büyük bir malzemeye genişletilebilir.

Termal yönetim cihazlarına giden yol

Gelecekte, termoelektrik dönüşüm performansının, üç boyutlu arayüz yapısı ve malzemelerinin tasarımı ve kontrolünün optimizasyonu yoluyla daha da gelişmesi bekleniyor.

Ekibin çalışması, bir yalıtkandaki termal enerjinin, makroskobik bir malzemedeki elektrik enerjisine dönüşümünü göstererek, ki bunu geleneksel termoelektrik teknolojileri kullanarak başarmak zordur, yeni termal yönetim cihazlarına doğru bir yol açıyor.