В поисках эффективного использования энергии ученые изучают термоэлектрические материалы, которые могут эффективно превращать тепло в электричество. Один конкретный тип, называемый топологическими магнитами, привлекает много внимания, поскольку демонстрирует аномальный эффект Нернста. При аномальном эффекте Нернста в ферромагнитном материале генерируется напряжение, перпендикулярное градиенту температуры и приложенному магнитному полю.
Хотя некоторые устройства показали улучшенные характеристики за счет комбинирования слоев с разными знаками термоЭДС в устройствах на термобатареях, этот подход обычно требует использования других материалов и изменения производственного процесса.
Значительным прорывом стало то, что совместная исследовательская группа продемонстрировала способность создавать как положительную, так и отрицательную полярность при выработке электроэнергии из тепла с использованием специального материала под названием Co.3Sn2S2, известный своими топологическими магнитными свойствами. Этот прорыв был достигнут путем простой замены некоторых элементов в магнитном соединении.
Группу возглавляли доцент Кохей Фудзивара и профессор Ацуши Цуказаки из Института исследования материалов (IMR) Университета Тохоку; исследователь Такамаса Хираи и выдающийся руководитель группы Кен-ичи Учида из Национального института материаловедения (NIMS); и доцент Юки Янаги из Университета префектуры Тояма.
Подробности их выводов были опубликованы в журнале. Физика природы на январь 8, 2024.
«Мы сосредоточились на ферромагнетике на основе кобальта, олова и серы, потому что его топологическое электронное состояние подходит для контроля полярности аномального эффекта Нернста согласно нашему предыдущему теоретическому исследованию», — заявил Фудзивара.
Чтобы подтвердить свою концепцию, команда провела замену элементов посредством процессов роста тонких пленок — метод, широко используемый в полупроводник technology. Они обнаружили, что соответствующее замещение никеля и индия приводит к изменению знака термоэлектрического напряжения за счет модуляции топологического электронного состояния.
«Наличие общих базовых элементов для изготовления термобатарейных устройств будет способствовать сокращению ресурсов и затрат. Наша концепция будет применима к другим топологическим магнитам и ускорит разработку превосходных магнито-термоэлектрических материалов», — добавляет Фудзивара.