[論文レビュー] Magnetic control of flexible thermoelectric devices based on macroscopic 3D interconnected nanowire networks

Flavio Abreu Araujo, Tristan da Câmara Santa Clara Gomes+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 40被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、柔軟でマクロスケールの3次元相互接続Co/Cuナノワイヤネットワークを用いて、磁場によるペルティエ冷却の制御を実証した。室温でスピンに依存するペルティエ係数−2.8 mV、および約7.5 mW/K²·mのパワー・ファクターを達成し、最先端の熱電材料を上回った。この手法により、スピンカルオリトロニクスを活用したスケーラブルで形状を自在に変えられる熱電冷却素子の実現が可能になった。

ABSTRACT

Spin-related effects in thermoelectricity can be used to design more efficient refrigerators and offer novel promising applications for the harvesting of thermal energy. The key challenge is to design structural and compositional magnetic material systems with sufficiently high efficiency and power output for transforming thermal energy into electric energy and vice versa. Here, the fabrication of large-area 3D interconnected Co/Cu nanowire networks is demonstrated, thereby enabling the controlled Peltier cooling of macroscopic electronic components with an external magnetic field. The flexible, macroscopic devices overcome inherent limitations of nanoscale magnetic structures due to insufficient power generation capability that limits the heat management applications. From properly designed experiments, large spin-dependent Seebeck and Peltier coefficients of −9.4μV/K and −2.8mV at room temperature, respectively. The resulting power factor of Co/Cu nanowire networks at room temperature (∼7.5mW/K2m) is larger than those of state of the art thermoelectric materials, such as BiTe alloys and the magneto-power factor ratio reaches about 100\\% over a wide temperature range. Validation of magnetic control of heat flow achieved by taking advantage of the spin-dependent thermoelectric properties of flexible macroscopic nanowire networks lay the groundwork to design shapeable thermoelectric coolers exploiting the spin degree of freedom.

研究の動機と目的

• 磁場による熱流の制御が可能な柔軟でマクロスケールの熱電デバイスの開発。
• 低出力およびスケーラビリティの欠如といったナノスケールの磁性構造の限界を克服すること。
• 大面積3次元ナノワイヤネットワークにおけるスピンに依存する熱電パラメータの正確な測定を可能とすること。
• マクロスケールの電子部品におけるペルティエ冷却の実用的磁場制御の実証。
• エネルギー回収および熱管理に向けた、相互接続可能で形状を自在に変えられるナノワイヤネットワークにおけるスピンカルオリトロニクスの妥当性の検証。

提案手法

• 3次元ナノポーラスポリマー型ダイヤモンドを用いたパルス電気化学的堆積法により、大面積の3次元相互接続Co/Cuナノワイヤネットワークを形成した。
• 2段階のイオンビーム照射プロセスを用いて、所定の穴径と孔率を制御した対称的かつ交差する3次元ナノポーラス型ダイヤモンドを生成した。
• ナノワイヤネットワークと金属電極の界面で、磁気抵抗、サーベック係数、およびペルティエ／ジュール熱を同時に測定する2重実験装置を採用した。
• スピンに依存する輸送を調整し、ペルティエ効果をジュール熱から分離するために、最大8 kOeの磁場を印加した。
• 2電流モデルと線形フィッティングを用いて、温度変化のうち、ジュール（I²の2次関数）とペルティエ（Iの1次関数）の寄与を分離した。
• ゼロ磁場状態および飽和磁場状態での温度測定を実施し、磁気ペルティエ効果および磁気ジュール効果を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場を用いてマクロスケールで柔軟な熱電デバイスにおけるペルティエ冷却を制御できるか？
• RQ2 3次元相互接続Co/Cuナノワイヤネットワークにおけるスピンに依存するサーベック係数およびペルティエ係数は何か？
• RQ3 このようなネットワークにおけるパワー・ファクターおよび磁気パワー・ファクター比は、最先端の熱電材料を上回るか？
• RQ4 ナノスケールの磁性熱電システムにおいて、支配的であるジュール熱からペルティエ効果をどのように分離できるか？
• RQ5 スピンカルオリトロニクスを活用した、形状を自在に変えられる大面積熱電冷却素子を3次元ナノワイヤネットワークで実現できるか？

主な発見

• Co/Cuナノワイヤネットワークは室温で約7.5 mW/K²·mのパワー・ファクターを達成し、BiTe合金や他の最先端の熱電材料を上回った。
• スピンに依存するサーベック係数は−9.4 µV/K、ペルティエ係数は室温で−2.8 mVと測定された。
• 広い温度範囲にわたり、磁気パワー・ファクター比が約100%に達し、強いスピンに依存する熱電応答を示した。
• 柔軟なナノワイヤネットワークを用いて、マクロスケールの電子部品でペルティエ冷却の磁場制御が実験的に実証された。
• 温度変化を線形（ペルティエ）および2次関数（ジュール）的電流依存性にフィッティングすることで、ペルティエ効果がジュール熱から明確に分離された。
• 8 kOeで抵抗および熱電力はそれぞれ25%の相対変化を示し、3次元ネットワークにおける強いスピンに依存する輸送が確認された。