Экспериментальное подтверждение размера

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8290 (2023) Цитировать эту статью

383 Доступа

Подробности о метриках

На электрический транспорт в нанопроволоках висмута сильно влияют как геометрия образца, так и его кристалличность. По сравнению с объемным висмутом, в электрическом транспорте в нанопроволоках преобладают размерные эффекты и влияют поверхностные состояния, которые становятся все более актуальными с увеличением отношения поверхности к объему, то есть с уменьшением диаметра проволоки. Таким образом, нанопроволоки висмута с заданным диаметром и кристалличностью представляют собой превосходные модельные системы, позволяющие изучать взаимодействие различных явлений переноса. Здесь мы представляем температурно-зависимый коэффициент Зеебека и измерения относительного электрического сопротивления параллельных массивов висмутовых нанопроволок диаметром от 40 до 400 нм, синтезированных методом импульсной гальваники в полимерных шаблонах. Как электрическое сопротивление, так и коэффициент Зеебека имеют немонотонную зависимость от температуры, при этом знак коэффициента Зеебека меняется с отрицательного на положительный с понижением температуры. Наблюдаемое поведение зависит от размера и объясняется ограничениями длины свободного пробега носителей заряда внутри нанопроволок. Наблюдаемый зависящий от размера коэффициент Зеебека и, в частности, изменение знака в зависимости от размера открывают многообещающие возможности для создания термопар из одного материала с p- и n-ветвями, изготовленными из нанопроволок различного диаметра.

Элемент висмут (Bi), известный с восемнадцатого века, демонстрирует захватывающие и интригующие свойства, которые исследуются до сих пор1,2. Его соединения особенно интересны в области термоэлектрики и недавно привлекли внимание в молодой области исследований топологических изоляторов, где было показано, что Bi может принадлежать к классу топологических материалов более высокого порядка, доказывая, что процессы электропереноса висмута являются еще не до конца разгаданы2,3,4. Это особенно справедливо для низкоразмерных систем, таких как нанопроволоки, для которых дополнительные размерные эффекты и поверхностные состояния могут влиять на транспортные свойства5,6,7,8.

Bulk Bi — полуметалл с сильно анизотропной поверхностью Ферми. Он обладает низкой концентрацией носителей заряда (~ 1017 см-3) и малой эффективной массой7,9. Средняя длина свободного пробега носителей заряда составляет порядка 100 нм при комнатной температуре и достигает 400 мкм при 4,2 К10,11. Следовательно, эффекты конечного размера, например, рассеяние носителей заряда на границах зерен или на поверхности в нанопроволоках, описываемые моделями Маядаса и Шацкеса, а также Фукса-Сондхаймера и Дингла, возникают уже при довольно больших диаметрах нанопроволок12,13,14. 15. Вследствие малой эффективной массы носителей заряда фермиевская длина волны Bi также довольно велика и составляет ~ 40 нм при комнатной температуре6. Когда геометрические размеры материала одинаковы, это может привести к так называемым квантово-размерным эффектам, которые влияют на электронную плотность состояний и, следовательно, на электронные транспортные свойства материала5,6,16. Из-за изменений в электронной зонной структуре в нанопроволоках Bi также наблюдается переход из полуметалла в полупроводник в зависимости от диаметра нанопроволоки. В зависимости от ориентации кристаллов переход происходит при диаметрах от ~ 40 до 55 нм при диаметре 77 К8,17.

Предсказанные квантово-размерные эффекты привлекли интерес сообщества термоэлектриков, поскольку они, казалось, предлагали способ значительно увеличить коэффициент Зеебека (S), то есть напряжение, генерируемое материалом при наличии разницы температур, в очень тонких нанопроволоках по сравнению с сыпучий материал7,16,18,19. Однако первоначально прогнозируемый выигрыш не мог быть реализован, и новые расчеты Корнетта и др. учет вклада нескольких поддиапазонов в транспорт показал, что выигрыш в коэффициенте мощности будет достигнут только для еще более тонких нанопроволок с диаметром проволоки менее 17 нм20. Расчеты Кима и др. применение формализма Ландауэра также показало, что, хотя коэффициент Зеебека на моду можно улучшить за счет меньшей размерности, для реализации этого преимущества требуется большая плотность упаковки нанопроволок малого диаметра21. Однако, даже несмотря на то, что коэффициент Зеебека может увеличиться, при таких малых размерах проводов электропроводность снижается из-за большей чувствительности к механизмам и геометрии рассеяния носителей, что, возможно, не позволяет достичь полного выигрыша в коэффициенте мощности22. Кроме того, даже теоретически предсказанное увеличение коэффициента Зеебека для диаметров менее 10 нм может быть не реализовано из-за значительного вклада поверхностных состояний в электрический транспорт внутри Bi. Поскольку соотношение поверхности к объему нанопроволок может быть чрезвычайно высоким, ожидается, что эффекты поверхностного транспорта также будут вносить значительный вклад в общие транспортные свойства нанопроволок23. Металлоподобные поверхностные состояния для плоскостей с низким индексом в Bi известны, что придает поверхности значительно лучшее металлическое поведение, чем объем9. Какой вклад могут внести топологические поверхностные состояния в висмуте, все еще изучается2,3,4. В общем, оба типа поверхностных состояний могут вести себя подобно металлу и тем самым предотвращать увеличение коэффициента Зеебека3. Чтобы обеспечить дальнейшее понимание особого сочетания уникальных процессов переноса с противоположными вкладами в коэффициент Зеебека и электрическое сопротивление, нанопроволоки Bi с индивидуально подобранным диаметром от объемного до нескольких нанометров и контролируемой кристалличностью представляют собой уникальную модельную систему для изучения взаимодействия и взаимодействия. этих различных процессов, зависящих от размера.