Im Streben nach einer effizienten Energienutzung untersuchen Wissenschaftler thermoelektrische Materialien, die Wärme effizient in Strom umwandeln können. Ein besonderer Typ, die sogenannten topologischen Magnete, erregt große Aufmerksamkeit, weil sie den anomalen Nernst-Effekt aufweisen. Beim anomalen Nernst-Effekt wird in einem ferromagnetischen Material eine Spannung senkrecht zum Temperaturgradienten und einem angelegten Magnetfeld erzeugt.
Während einige Geräte eine verbesserte Leistung durch die Kombination von Schichten mit unterschiedlichen Thermoleistungszeichen in Thermosäulengeräten gezeigt haben, erfordert dieser Ansatz im Allgemeinen die Verwendung unterschiedlicher Materialien und eine Änderung des Herstellungsprozesses.
In einem bedeutenden Durchbruch hat eine gemeinsame Forschungsgruppe die Fähigkeit demonstriert, mit einem speziellen Material namens Co sowohl positive als auch negative Polaritäten bei der Stromerzeugung aus Wärme zu erzeugen3Sn2S2, bekannt für seine topologischen Magneteigenschaften. Dieser Durchbruch gelang durch den einfachen Austausch einiger Elemente in der magnetischen Verbindung.
Die Gruppe wurde von außerordentlichem Professor Kohei Fujiwara und Professor Atsushi Tsukazaki vom Institut für Materialforschung (IMR) der Universität Tohoku geleitet; Forscher Takamasa Hirai und angesehener Gruppenleiter Ken-ichi Uchida vom National Institute for Materials Science (NIMS); und außerordentlicher Professor Yuki Yanagi von der Präfekturuniversität Toyama.
Einzelheiten zu ihren Ergebnissen wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik Januar 8, 2024.
„Wir haben uns auf einen Ferromagneten auf Kobalt-Zinn-Schwefel-Basis konzentriert, weil sein topologischer elektronischer Zustand gemäß unserer vorherigen theoretischen Studie geeignet ist, die Polarität des anomalen Nernst-Effekts zu kontrollieren“, sagte Fujiwara.
Um ihr Konzept zu validieren, führte das Team eine Elementsubstitution durch die Wachstumsprozesse der dünnen Filme durch, eine Technik, die in der Forschung weit verbreitet ist Halbleiter Technologie. Sie entdeckten, dass die entsprechende Substitution von Nickel und Indium durch die Modulation des topologischen elektronischen Zustands zu einer Umkehr des Vorzeichens der Thermospannung führte.
„Die Verfügbarkeit gemeinsamer Basiselemente für die Herstellung von Thermopile-Geräten wird zur Reduzierung von Ressourcen und Kosten beitragen. Unser Konzept wird auf andere topologische Magnete anwendbar sein und die Entwicklung überlegener magnetothermoelektrischer Materialien beschleunigen“, fügt Fujiwara hinzu.