从热到自旋再到电:理解热电装置中的自旋输运

热电器件中的自旋输运

热电材料可以有效地将工业废热转化为电能。但要创造出有效的热电材料,必须充分了解它们的基本物理特性。资料来源:Freepik网站Macrovector

科学家揭示了二维间层的磁性能如何增强热电异质结构中的自旋积累效应。

由于其在热能收割机中的潜在应用,旋转热电材料是活跃的研究领域。然而,在旋转运输现象中夹层在这些材料中的物理学潜在的物理学尚不清楚。在最近的一项研究中,来自Chung-Ang University,韩国的科学家,使用新开发的平台来衡量旋塞贝克效果的新开发的平台。他们的研究结果铺平了具有增强性能的大面积热电材料。

热电材料,可以在存在温差存在下产生电压,目前是一个强烈的研究领域;热电能收割技术是我们最好的镜头之一,大大减少了化石燃料的使用,并帮助防止全球能源危机。然而,尽管最近的努力,有些热电机构,其中一些是较少理解的。最近在韩国科学家们的研究旨在填补知识中的一个这样的差距。阅读以了解如何!

早前提到的其中一种机制是自旋塞贝克效应(SSE),这是由日本东京大学Eiji saito教授领导的研究小组在2008年发现的。SSE是一种现象,非磁性材料和铁磁性材料之间的温度差会产生自旋流。对于热电能量收集的目的,反向SSE是特别重要的。在某些异质结构中,如钇铁石榴石铂(YIG/Pt),由温差产生的自旋流转化为带电荷的电流,提供了一种从反SSE产生电力的方法。

由于这种自旋到电荷的转换在大多数已知材料中效率相对较低,研究人员试图插入一层原子厚度较薄的二硫化钼(MoS)2)在YIG an Pt层之间。尽管这种方法提高了转化率,但2D MoS的作用背后的潜在机制2自旋输运中的层仍然是难以捉摸的。

为了解决这一知识差距,韩国钟 - Ang大学物理系的桑泉李教授最近对该主题进行了深入的研究,该主题已发表于此纳米快报。Chung-Ang大学的许多同事,以及saito教授,都参与了研究2D MoS的作用2YIG/Pt热电功率的研究。

为此,科学家们准备了两个YIG/MoS2/Pt样品具有不同的形貌2层,以及一个参考样品没有MoS2共。它们制备了一种测量平台,其中可以强制实施温度梯度,施加磁场,并监测由随后引起的电压差。有趣的是,他们发现逆SSE,以及整个异质结构的热电性能,取决于MOS的尺寸和类型,可以增强或减少2使用。特别是使用有洞的MoS2与单独使用YIG/Pt相比,YIG和Pt层之间的多层产生的热电功率增加了60%。

通过仔细的理论和实验分析,科学家们确定了这种显著的增长是由两个独立的量子现象的促进引起的,它们一起解释了总逆SSE。这些被称为逆自旋霍尔效应和逆Rashba-Edelstein效应,它们都产生自旋积累,然后转换成电荷电流。此外,他们还研究了金属氧化物半导体中的孔洞和缺陷是如何形成的2层改变了异质结的磁性能,有利于增强热电效应。Lee对结果感到兴奋,他说:“我们的研究首次证明了界面层的磁性会导致界面的自旋波动,并最终增加自旋积累,从而导致逆SSE产生更高的电压和热功率。”

这项工作的结果代表了热电材料技术难题中的一个关键部分,并可能很快具有现实意义,正如Lee解释的那样:“我们的研究结果揭示了在YIG/Pt系统中使用中间层的大面积热电能量采集器的重要机遇。它们也提供了必要的信息,以理解结合Rashba-Edelstein效应和SSE在自旋输运中的物理。他补充说,他们的SSE测量平台可能对研究其他类型的量子传输现象有很大帮助,如山谷驱动的霍尔效应和能斯特效应。

让我们期待热电技术的快速发展,让我们的梦想成为现实,建设一个更环保的社会!

参考:“Pt/Holey MoS的自旋塞贝克热电功率增强2/ Y3.5O12《混合结构》作者:Won- yong Lee, No-Won Park, Gil-Sung Kim, Min-Sung Kang, jawon Choi, Kwang-Yong Choi, Ho Won Jang, Eiji Saitoh和Sang-Kwon Lee, 2020年12月4日,纳米快报
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c03499

关于Chung-Ang大学

中央大学是一所位于韩国首尔的私立综合性研究型大学。它在1918年开始作为一个幼儿园,并在1953年获得大学地位。它是完全认可的韩国教育部。中央大学以“正义与真理”为口号进行研究活动。它的新愿景是完成100年是“全球创意领导者”。“中央大学提供本科、研究生和博士课程,包括法学院、管理课程和医学院;它有16个本科和研究生院。中央大学的文化和艺术课程被认为是韩国最好的。

关于李相权教授

Lee Sang-Kwon博士于2002年获得瑞典皇家理工学院电子工程博士学位。2002年,他首次被任命为韩国全北国立大学半导体科学与技术系助理教授,随后于2013年加入中央大学物理系担任教授。他目前在中央大学负责现代物理和数学物理的教学。他的研究兴趣主要围绕固体物理,如纳米级热电材料和器件的开发和建模。他从事纳米生物技术的研究,如纳米生物半导体传感器和通过纳米线等器件的癌细胞表征,微流体和微机电系统。目前,他在中央大学的量子传输研究实验室也有兴趣研究与谷相关的效应,如谷能斯特效应、谷霍尔效应和各种新的塞贝克效应用于能量收集的应用。他名下有140多份出版物。

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