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边界热电没有障碍

莱斯大学的研究人员在金纳米线中发现了潜在的有用的电子现象

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利用一种新型光学探测系统,莱斯大学的研究人员发现,由温差产生的电能似乎不会受到纳米金线中放置的晶界的影响,而材料中的应变和其他缺陷会改变这种“热电”响应。

Using a novel optical detection system that heats nanoscale gold wires with a single laser, researchers at Rice University showed electricity generated by temperature differences is not affected measurably by grain boundaries, while strain and other defects in the material change the thermoelectric response. (Credit: Natelson Research Group/Rice University)

莱斯大学的研究人员利用一种新颖的光学探测系统,用一束激光加热纳米金线,发现由温差产生的电能不会受到晶界的影响,而材料中的应变和其他缺陷会改变热电响应。内特森研究小组提供的资料

这一现象可以用于检测导电材料中的晶体缺陷,而这些缺陷即使用最先进的显微方法也难以发现和表征。

这个结果让莱斯大学物理学家道格·纳特尔森(Doug Natelson)和女博士夏洛特·埃文斯(Charlotte Evans)领导的研究人员感到惊讶。埃文斯现在是桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的一名科学家。

埃文斯说:“很多时候,人们在建造太阳能电池板或用这种或那种方式发电时,都会考虑热电效应。”“相反,我们认为热电效应是一种非常有趣的诊断工具。”

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

晶界是材料中排列不齐的晶体相遇的平面,当它们与相邻的晶体结合时,迫使边缘的原子进行调整。斯坦福大学电子工程师和合著者Jonathan Fan的团队用双晶体金纳米线进行了测量,结果显示在晶界处的热电电压没有可检测到的影响。金属中的电子完全忽略了单一晶界。

Rice University’s optical detection system reveals small structural defects in a gold nanowire that may appear to be a perfect crystal under a scanning electron microscope. The discovery has implications for making better thin-film electronic devices. (Credit: Charlotte Evans/Rice University)

莱斯的光学检测系统揭示了金纳米线的微小结构缺陷,在扫描电子显微镜下,这可能是一个完美的晶体。这一发现对制造更好的薄膜电子设备具有启示意义。由Charlotte Evans/Natelson研究小组提供

导体的温差通过塞贝克效应产生热电,塞贝克效应是热电效应的一种。这种效果通常用于测量温差和控制恒温器。纳特尔森实验室通过用严格控制的激光加热范的一部分导线,驱动电子从高温区域向低温区域移动,并产生一个待测电压,从而触发了塞贝克效应。在双晶体中,当激光穿过晶界时,电压没有可测量的变化。

纳特尔森说,当激光穿过变形的部分导线时,整个导线的晶格都发生了变形,电压的变化变得很明显。对畸变器件进行退火可以部分修复缺陷,从而使温差电流发生明显变化。

Natelson说:“有一群人致力于改善热电响应。”“他们需要意识到结构问题,比如晶格的微小扭曲,其影响不一定很小。人们倾向于忽略这些微小的结构问题,但当你在制造薄膜设备时,材料中就会产生烘烤应力和应变,这仅仅是因为它的制造方式。”

Rice University doctoral alumna Charlotte Evans led the study to show how thermoelectricity is affected by some defects, but not others, in gold nanowires. (Credit: Rice University)

夏绿蒂埃文斯

Evans说,纳米级的晶体通常通过电子背散射衍射(EBSD)来表征,这是一个昂贵而耗时的过程。“我们的过程的好处是它的简单,”她说。“我们使用两微米的激光光斑,这比电子束的尺寸大得多,我们可以只用锁定技术、扫描激光和电压放大器来检测变化。

她说:“如果你看一下普通的EBSD数据,就好像你拥有了一个原始的晶体。”而it’s,直到你对数据进行后处理,看看每个像素是如何与下一个像素变化的,你就会看到沿着导线长度的微小扭曲。探测起来很复杂。这就是为什么it’如此引人注目,以至于我们可以用激光探测到这些微小的变化。”

“因此,如果你想做一些聪明的事情,利用热电响应,你需要了解你正在用标准的、自上而下的制造方法制造的设备,”Natelson说。“应力和应变以及看似微小的结构缺陷可以很容易地产生影响。”

斯坦福大学(Stanford)校友杨锐(Rui Yang)和研究生甘露西亚(Lucia Gan)是这篇论文的联合主要作者。合著者是莱斯大学的研究生Mahdiyeh Abbasi和Xifan Wang,以及斯坦福大学的博士后研究员Rachel Traylor。纳特森是系主任,物理学和天文学教授,电子和计算机工程教授,材料科学和纳米工程教授。

罗伯特·a·韦尔奇基金会,国家科学基金会,空军科学研究办公室多学科大学研究计划和帕卡德奖学金基金会支持这项研究。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.rice.edu/2020/09/08/boundaries-no-barrier-for-thermoelectricity-2/