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一种可以击败热量的半导体

发布时间:2019-01-28 15:11:59 来源:

在一种晶体半导体中新发现的集体嘎嘎声效应阻止了大部分热传递,同时保持了高导电性 - 科学家称这种配对可以减少电子设备和涡轮发动机中的热量累积,以及其他可能的应用。

由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家领导的团队在一类称为卤化钙钛矿的材料中发现了这些异国特征,这些材料也被认为是下一代太阳能电池板,纳米级激光器,电子冷却的有希望的候选者。和电子显示器。

这些相互关联的热和电(或“热电”)特性在碘化铯锡(CsSnI3)的纳米级线中发现。观察到该材料在具有连续晶体结构的材料中具有最低水平的导热率之一。

研究人员说,这种所谓的单晶材料也可以比典型的热电材料(如硅锗)更容易大量生产。

“它的特性源于晶体结构本身。这是一种原子式的现象,”伯克利实验室的博士后研究员Woochul Lee说,他是该研究的主要作者,于7月31日刊登在“国家学院学报”上。科学期刊。这些是与该单晶材料的热电性能有关的首次公开结果。

研究人员之前认为,材料的热性质是“笼状”原子在材料晶体结构中嘎嘎作响的产物,正如在其他一些材料中观察到的那样。这种咔哒声可以用于破坏材料中的热传递。

“我们最初认为它是铯原子,一种重元素,在材料中移动,”伯克利实验室材料科学部高级教员科学家Peidong Yang说。

麻省理工学院的研究员Jeffrey Grossman随后进行了一些理论工作和计算机模拟,这有助于解释团队观察到的内容。研究人员还在研究中使用了伯克利实验室的分子铸造厂,该公司专门从事纳米级研究。

“我们相信基本上存在一种嘎嘎作响的机制,不仅仅是铯。这是整体结构的嘎嘎声;它是一种集体的嘎嘎声,”杨说。“嘎嘎作响的机制与晶体结构本身有关,”并不是一系列微小水晶笼的产物。“这是群体原子运动,”他补充说。

在材料的晶体结构中,原子之间的距离正在缩小并以集体方式增长,从而防止热量轻易流过。

但由于材料由有序的单晶结构组成,尽管存在这种集体的嘎嘎声,但仍然可以使电流流过它。想象一下,它的导电性就像一艘潜艇在平静的水下水流中平稳地行进,而它的导热性就像一艘帆船在地表的大海中晃动。

Yang说,热电材料的两个主要应用是冷却,以及将热量转换成电流。他说,对于这种特殊的碘化铯锡材料,冷却应用,如涂层,以帮助冷却电子相机传感器可能比热电转换更容易实现。

一个挑战是材料对空气和水具有高度反应性,因此需要保护涂层或封装才能在设备中发挥作用。

杨说,几十年前,碘化铯首先被发现是一种半导体材料,而且近几年才被重新发现,因为其它独特的特性。“事实证明,这是一个令人惊叹的物理金矿,”他指出。

为了测量材料的导热系数,研究人员将两个固定材料岛与一个碘化铯锡纳米线桥接在一起。纳米线在任一端连接到微岛,其起到加热器和温度计的作用。研究人员加热了其中一个岛屿并精确测量了纳米线如何将热量传递到另一个岛屿。

他们还进行扫描电子显微镜以精确测量纳米线的尺寸。他们使用这些尺寸来精确测量材料的导热系数。该团队用几种不同的纳米线材料和多个纳米线样品重复实验,以比较热电性能并验证热导率测量。

“下一步是合成这种(碘化铯锡)材料,”李说。“这可能会改善热电性能。”

此外,正如计算机芯片制造商将一系列元素植入硅晶圆以改善其电子特性 - 这一过程称为“兴奋剂” - 科学家们希望使用类似的技术来更充分地利用这种半导体材料的热电特性。杨说,这是这类材料相对未开发的领域。

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