Semikonduktor Yang Bisa Mengalahkan Panas

Para ilmuwan menemukan sifat termoelektrik yang unik pada timah cesium iodida

sumber : DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory

Efek keretakan kolektif yang baru ditemukan pada jenis blok semikonduktor kristal yang paling banyak mentransfer panas sambil mempertahankan konduktivitas listrik yang tinggi - pasangan langka yang menurut para ilmuwan dapat mengurangi penumpukan panas di perangkat elektronik dan mesin turbin, antara aplikasi lain yang mungkin dilakukan.

Sebuah tim yang dipimpin oleh para ilmuwan di Laboratorium Energi Lawrence Berkeley dari Department of Energy (Berkeley Lab) menemukan ciri eksotis ini di kelas bahan yang dikenal sebagai perovskites halida, yang juga dianggap kandidat yang menjanjikan untuk panel surya generasi mendatang, laser nano, pendinginan elektronik , Dan display elektronik.

Sifat termal dan elektrikal (atau "termoelektrik" yang saling terkait ini ditemukan pada kawat nano dari timin cesium iodida (CsSnI3). Bahan tersebut diamati memiliki tingkat konduktivitas panas terendah di antara bahan dengan struktur kristal kontinu.

Bahan kristal tunggal yang disebut ini juga bisa lebih mudah diproduksi dalam jumlah banyak daripada bahan thermoelectric khas, seperti silikon-germanium, kata periset.

"Sifat-sifatnya berasal dari struktur kristal itu sendiri," kata Woochul Lee, seorang peneliti postdoctoral di Berkeley Lab yang merupakan penulis utama studi tersebut, yang diterbitkan pada 31 Juli di Prosiding National Academy Jurnal ilmiah Ini adalah hasil publikasi pertama yang berkaitan dengan kinerja termoelektrik bahan kristal tunggal ini.

Periset sebelumnya berpikir bahwa sifat termal material adalah produk dari atom "dikurung" yang berkerut di sekitar struktur kristal material, seperti yang telah diamati pada beberapa bahan lainnya. Bergetar seperti itu berfungsi untuk mengganggu perpindahan panas ke material.

"Kami awalnya mengira itu adalah atom cesium, elemen berat, bergerak dalam material," kata Peidong Yang, seorang ilmuwan fakultas senior di Berkeley Lab's Material Sciences Division yang memimpin penelitian ini.

Jeffrey Grossman, seorang peneliti di Massachusetts Institute of Technology, kemudian melakukan beberapa simulasi teori dan simulasi komputer yang membantu menjelaskan apa yang telah diamati tim tersebut. Periset juga menggunakan Laboratorium Molekuler Berkeley Laber, yang mengkhususkan diri dalam penelitian nano, dalam penelitian ini.

"Kami percaya pada dasarnya ada mekanisme yang berderak, tidak hanya dengan cesium. Ini adalah keseluruhan struktur yang berderak, ini adalah mainan kolektif," kata Yang. "Mekanisme yang berderak dikaitkan dengan struktur kristal itu sendiri," dan bukan produk dari kumpulan kandang kristal kecil. "Ini adalah gerakan atom kelompok," saya telah menambahkan.

Dalam struktur kristal material, jarak antara atom menyusut dan tumbuh secara kolektif yang mencegah panas mengalir dengan mudah.

Tapi karena bahannya tersusun dari struktur kristal tunggal yang tertata, arus listrik masih bisa mengalir melewatinya meski berkerumun kolektif ini. Gambar konduktivitas listriknya seperti kapal selam yang berjalan lancar dalam arus bawah laut yang tenang, sementara konduktivitas termalnya seperti perahu layar yang dilemparkan di laut lepas di permukaan.

Yang mengatakan dua aplikasi utama untuk bahan termoelektrik dalam pendinginan, dan dalam mengubah panas menjadi arus listrik. Untuk bahan timin caesium ini, aplikasi pendinginan seperti pelapis untuk membantu mendinginkan sensor elektronik mungkin lebih mudah dicapai daripada konversi panas-ke-listrik, katanya.

Tantangannya adalah materialnya sangat reaktif terhadap udara dan air, sehingga membutuhkan lapisan pelindung atau enkapsulasi agar berfungsi di alat.

Cesium timah iodida pertama kali ditemukan sebagai bahan semikonduktor beberapa dekade yang lalu, dan baru beberapa tahun ini telah ditemukan kembali sifat unik lainnya, kata Yang. "Ternyata menjadi tambang emas yang menakjubkan dari sifat fisik," katanya.

Untuk mengukur konduktivitas termal material, periset menjembatani dua pulau bahan penahan dengan nanowire timah caesium. Nanowire terhubung ke salah satu ujungnya ke pulau mikro yang berfungsi baik untuk pemanas maupun termometer. Peneliti memanaskan salah satu pulau dan tepatnya mengukur bagaimana nanowire mengangkut panas ke pulau lain.