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Jul 28, 2023

Determinazione del coefficiente di Seebeck originato dal fonone

Scientific Reports volume 13, Numero articolo: 13463 (2023) Cita questo articolo 168 Accessi Dettagli metriche L'effetto di trascinamento dei fononi è utile per migliorare le prestazioni termoelettriche, in particolare le

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13463 (2023) Citare questo articolo

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L'effetto di resistenza fononica è utile per migliorare le prestazioni termoelettriche, in particolare il coefficiente di Seebeck. Pertanto, sono state studiate le proprietà di trasporto dei fononi e degli elettroni dei singoli cristalli di Si a diverse densità di portatori ed è stata chiarita la relazione tra queste proprietà e l'effetto di resistenza dei fononi. Le proprietà di trasporto dei fononi sono state determinate utilizzando la nanoindentazione e la termometria a radiazione di riscaldamento spot-periodica. Le proprietà di trasporto degli elettroni sono state determinate in base alla conduttività elettrica del Si. Il coefficiente diffusivo di Seebeck derivato dalle proprietà di trasporto degli elettroni era in buon accordo con i rapporti precedenti. Tuttavia, il valore del coefficiente di Seebeck della resistenza dei fononi derivato dalle proprietà di trasporto dei fononi è molto basso. Questo fenomeno suggerisce che i fononi con un cammino libero medio normale (MFP) non contribuiscono all'aumento del coefficiente di Seebeck; tuttavia, i fononi con una MFP lunga e una bassa frequenza aumentano il coefficiente di Seebeck tramite l'effetto di trascinamento dei fononi. Inoltre, l'effetto di resistenza dei fononi era sufficientemente pronunciato anche a 300 K e nella regione fortemente drogata. Queste caratteristiche sono fondamentali nella progettazione di materiali termoelettrici con prestazioni migliorate derivate dall'effetto di resistenza dei fononi.

Dal punto di vista della raccolta di energia, l'ingegneria fononica sta guadagnando molta attenzione a causa della crescente domanda di materiali con proprietà di trasferimento di calore controllabili1,2,3,4,5. L'analisi teorica è essenziale per questa realizzazione e la comprensione del meccanismo dettagliato del trasporto dei fononi è una strategia efficace per lo sviluppo del materiale. Negli ultimi anni molti studi hanno analizzato il trasporto dei fononi attraverso simulazioni6,7,8, tuttavia è altrettanto importante valutare questi risultati sperimentalmente.

Per alcuni materiali che utilizzano energia termica, anche il trasporto degli elettroni influisce sulle prestazioni del materiale. In particolare nei materiali di conversione termoelettrica, la densità del portatore gioca un ruolo importante nel trasporto degli elettroni9,10,11. I materiali termoelettrici generano energia termoelettrica proporzionale al coefficiente di Seebeck mediante il trasferimento di portatori di carica a causa delle differenze di temperatura. Un materiale termoelettrico ideale presenta sia un'elevata conduttività elettrica che una bassa conduttività termica; tuttavia, microscopicamente, l'interazione tra fononi e portatori influenza fortemente queste conduttività.

È stata inoltre effettuata un'analisi teorica dell'effetto di resistenza dei fononi per sviluppare materiali con bassa conduttività termica ed elevata conduttività elettrica12,13. In generale, la resistenza dei fononi è un fenomeno spesso osservato in condizioni che facilitano lunghi percorsi liberi fononici (MFP), come ambienti a bassa temperatura e materiali ad elevata purezza. Tuttavia, è stato riportato che il Si e le leghe a base di Si presentano coefficienti di Seebeck relativamente elevati derivanti dall'effetto di resistenza dei fononi anche a temperatura ambiente14,15,16. Pertanto, per aumentare le prestazioni termoelettriche, è necessario studiare le proprietà di trasporto fononi/elettroni a diverse densità di portatori e il loro impatto sull'effetto di resistenza dei fononi.

In questo studio sono stati utilizzati cristalli singoli di Si con diverse quantità di drogaggio con fosforo perché i cristalli erano perfettamente orientati senza bordi di grano e la densità del portatore poteva essere facilmente variata. Per la valutazione delle proprietà di trasporto dei fononi, abbiamo determinato le velocità di gruppo e l'MFP dei fononi di vari materiali utilizzando misurazioni di nanoindentazione e conducibilità termica17,18. L'effetto sull'orientamento cristallino dei singoli cristalli di Si è stato studiato utilizzando la stessa tecnica19. Quindi, questa tecnica può essere utilizzata per valutare il trasporto fononico nei singoli cristalli di Si a diverse densità di trasportatori. Le proprietà di trasporto degli elettroni sono state ottenute dalle conduttività elettriche misurate dei singoli cristalli di Si. È stata studiata la relazione tra densità dei portatori e proprietà di trasporto fonone/elettrone. Infine, è stato studiato il fenomeno della resistenza dei fononi sulla base delle proprietà di trasporto dei fononi/elettroni. Una nuova scoperta di questo studio è che i fononi con un percorso libero medio normale (MFP) non contribuiscono ad aumentare il coefficiente di Seebeck, mentre i fononi con un MFP lungo aumentano il coefficiente di Seebeck tramite l'effetto di resistenza dei fononi. Inoltre, l'effetto di resistenza dei fononi era sufficientemente pronunciato anche a 300 K e nella regione fortemente drogata. Questi risultati sono significativi per la progettazione di materiali termoelettrici con prestazioni migliorate derivate dall'effetto di resistenza dei fononi.