[논문 리뷰] Magnetic control of flexible thermoelectric devices based on macroscopic 3D interconnected nanowire networks

Flavio Abreu Araujo, Tristan da Câmara Santa Clara Gomes외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 40인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 연성이고 거대한 3차원 상호연결 Co/Cu 나노와이어 네트워크에서 자기장에 의한 펠리에 냉각을 구현하여 실온에서 -2.8 mV의 스핀 의존성 펠리에 계수와 약 7.5 mW/K²·m의 전력 인자(파워 팩터)를 달성함으로써 최신의 열전재료를 뛰어넘는 성과를 보였다. 이 방법은 스핀 칼로리트로닉스를 활용한 확장 가능하고 형태를 바꿀 수 있는 열전 냉각기를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 열 흐름을 자기장으로 제어할 수 있는 연성이고 거대한 열전 장치를 개발하기 위해.
• 낮은 출력과 낮은 확장성 등의 문제를 야기하는 나노스케일 자기 구조물의 한계를 극복하기 위해.
• 대면적 3차원 나노와이어 네트워크에서 스핀 의존성 열전 매개변수를 정확하게 측정하기 위해.
• 거대한 전자 부품에서 실용적인 자기장 제어를 통한 펠리에 냉각을 구현하기 위해.
• 에너지 수확 및 열 관리 응용을 위한 상호연결되고 형태를 바꿀 수 있는 나노와이어 네트워크에서 스핀 칼로리트로닉스의 유효성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 3차원 나노다공성 폴리머 템플릿에 퉈도 전기화학적 증착을 통해 대면적 3차원 상호연결 Co/Cu 나노와이어 네트워크를 제작하였다.
• 제어된 다공성 및 다공도를 가진 대칭적이고 교차하는 3차원 나노다공 템플릿을 만드는 데 이중 단계의 이온 조사 공정을 사용하였다.
• 나노와이어 네트워크/금속 전극 접합부에서 동시에 자기저항, 시베크 계수 및 펠리에/줄레 열을 측정하기 위해 이중 실험 장치를 구현하였다.
• 스핀 의존성 운반을 조절하고 줄레 열을 펠리에 효과에서 분리하기 위해 최대 8 kOe의 자기장을 적용하였다.
• 전류에 따른 온도 변화를 선형(펠리에) 및 이차형(줄레)으로 분리하기 위해 이중 전류 모델과 선형 피팅을 사용하였다.
• 자기장 비활성 상태와 포화 자기장 상태에서의 온도 측정을 수행하여 자기-펠리에 효과 및 자기-줄레 효과를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거대하고 연성 있는 열전 장치에서 자기장으로 펠리에 냉각을 제어할 수 있는가?
• RQ2 3차원 상호연결 Co/Cu 나노와이어 네트워크에서 스핀 의존성 시베크 계수와 펠리에 계수는 각각 얼마인가?
• RQ3 이러한 네트워크에서 전력 인자 및 자기-전력 인자 비율이 최신의 열전재료를 뛰어넘을 수 있는가?
• RQ4 나노스케일 자기 열전 장치에서 지배적인 줄레 열을 제거하고 펠리에 효과를 분리할 수 있는가?
• RQ5 스핀 칼로리트로닉스를 활용한 3차원 나노와이어 네트워크에서 형태를 바꿀 수 있고 대면적의 열전 냉각기를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• Co/Cu 나노와이어 네트워크는 실온에서 약 7.5 mW/K²·m의 전력 인자를 달성하여 BiTe 합금 및 기타 최신의 열전재료를 뛰어넘었다.
• 스핀 의존성 시베크 계수는 -9.4 µV/K로 측정되었으며, 실온에서 펠리에 계수는 -2.8 mV였다.
• 넓은 온도 범위에서 자기-전력 인자 비율이 약 100%에 도달하여 강한 스핀 의존성 열전 응답을 나타내었다.
• 연성 나노와이어 네트워크를 사용하여 거대한 전자 부품에서 펠리에 냉각의 자기장 제어가 실험적으로 입증되었다.
• 온도 변화를 선형(펠리에) 및 이차형(줄레) 전류 의존성에 맞추어 피팅함으로써 펠리에 효과가 줄레 열에서 성공적으로 분리되었다.
• 8 kOe에서 저항과 열전력이 각각 약 25% 증가하여 3차원 네트워크에서 강한 스핀 의존성 운반 특성이 확인되었다.