Автор AZoNano 9 сентября 2020 г.

Хотя летние Олимпийские игры были отложены, есть по крайней мере одно место, где можно увидеть, как ловкие бегуны с барьерами борются за золото.

Вам просто нужен способ просмотра этих электронных игр.

Используя новую оптическую систему обнаружения, исследователи из Университета Райса обнаружили, что на электричество, генерируемое разницей температур, не оказывают заметного влияния границы зерен, помещенные на его пути в наноразмерных золотых проволоках, в то время как деформации и другие дефекты в материале могут изменить этот "термоэлектрический" отклик.

Это явление может позволить обнаруживать кристаллические дефекты в проводящих материалах, которые трудно обнаружить и охарактеризовать даже с помощью самых современных микроскопических методов.

Результат стал неожиданностью для исследователей во главе с физиком из Райса Дугом Нательсоном и выпускницей докторантуры Шарлоттой Эванс, ныне штатным научным сотрудником в Sandia National Laboratories, которая попыталась найти объяснение, увидев измерения, которые они не могли объяснить несколько лет назад.

«Часто люди думают о термоэлектрическом эффекте, когда строят солнечные батареи или вырабатывают энергию из того или иного», – сказал Эванс. «Вместо этого мы утверждаем, что термоэлектрический эффект – действительно интересный диагностический инструмент».

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences .

Границы зерен – это плоскости в материалах, где встречаются смещенные кристаллы, заставляя атомы по краю приспосабливаться, когда они связываются со своими соседями. Измерения в бикристаллических золотых нанопроводах, произведенных группой инженера-электрика из Стэнфордского университета и соавтора Джонатана Фана, не показали заметного влияния на термоэлектрические напряжения на границе зерен – электроны в металле просто игнорировали границу единственного зерна.

Разница температур в проводниках создает термоэлектричество через эффект Зеебека, один из видов термоэлектрического эффекта. Этот эффект обычно используется для измерения разницы температур и управления термостатами. Лаборатория Нательсона вызвала эффект Зеебека, нагревая одну часть проводов вентилятора с помощью строго контролируемого лазера, заставляя электроны перемещаться из горячего места в более холодные области, и создавала напряжение, которое нужно было измерить. Никакого измеримого изменения напряжения не наблюдалось, когда лазер перемещался через границу зерен в бикристаллах.

Когда лазер перемещался по частям тех же самых проводов, которые были деформированы, с искажениями в кристаллической решетке по всей проволоке, изменения напряжения стали очевидными, сказал Нательсон. Отжиг деформированных устройств частично залечил дефекты, что привело к явным изменениям термоэлектрического тока.

«Есть сообщество людей, которые занимаются улучшением термоэлектрического отклика», – сказал Нательсон. «Они должны знать, что структурные проблемы, такие как очень небольшие искажения решетки, имеют эффекты, которые не обязательно малы. Люди склонны игнорировать эти крошечные структурные проблемы, но каждый раз, когда вы делаете тонкопленочные устройства, происходит запекание – в напряжении и деформации в материале просто из-за способа его изготовления ».

Эванс сказал, что наноразмерные кристаллы часто характеризуют с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD), что является дорогостоящим и трудоемким процессом. « Преимущество нашего процесса в его простоте», – сказала она . «Мы используем лазерное пятно большого размера, два микрона, что намного больше, чем размер электронного луча, и мы можем обнаруживать отклонения, используя только метод синхронизации, сканирующий лазер и усилитель напряжения. .

«Если вы посмотрите на простые данные EBSD, это выглядит так, как будто у вас есть нетронутый кристалл», она сказала. «И только после постобработки данных и изучения того, как каждый пиксель отличается от следующего, вы увидите небольшие искажения по длине провода. Это сложно обнаружить. Вот почему так замечательно, что мы смогли обнаруживать эти небольшие вариации с помощью лазера ».

«Итак, если вы хотите сделать что-то умное и использовать термоэлектрический отклик, вам нужно понимать устройства, которые вы создаете с помощью стандартных нисходящих методов производства», – сказал Нательсон. «Напряжение и деформация, а также то, что казалось незначительными структурными дефектами, могут иметь легко обнаруживаемое влияние».

Выпускник Стэнфордского университета Руи Ян и аспирант Люсия Ган являются соавторами статьи. Соавторами являются аспиранты Махдия Аббаси и Сифан Ван из Райса и научный сотрудник Рэйчел Трейлор из Стэнфорда. Нательсон – заведующий кафедрой, профессор физики и астрономии, профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии.

Исследование поддержали Фонд Роберта А. Уэлча, Национальный научный фонд, Междисциплинарная исследовательская инициатива Управления научных исследований ВВС США и Фонд стипендий Паккарда.

Прочтите аннотацию по адресу http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2002284117.

Источник: https://www.rice.edu/