[논문 리뷰] Geometrically Enhanced Thermoelectric Effects in Graphene Nanoconstrictions

Achim Harzheim, Jean Spièce외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 12.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 34인용 수 76

한 줄 요약

이 연구는 100 nm 너비의 리본형 구조를 가진 그래핀에서 경계에서의 산산이 흩어짐으로 인해 전자의 평균 자유로움 길이가 감소함에 따라 기하학적 나노구속이 국소적 시베크 및 펠리에 계수의 급격하고 공간적으로 관련된 증가를 유도함을 보여준다. 스캐닝 열역학 현미경(S thM)을 사용하여 저자들은 나노스케일 열전 응답을 맵핑하였으며, 최대 ±2 K의 펠리에 냉각/加热 및 시베크 계수의 수개 차수 변화를 관측하였다. 이는 전체 그래핀 기반의 칩 내 열전대 및 국소적 열관리 장치의 설계를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The influence of nanostructuring and quantum confinement on the thermoelectric properties of materials has been extensively studied. While this has made possible multiple breakthroughs in the achievable figure of merit, classical confinement, and its effect on the local Seebeck coefficient has mostly been neglected, as has the Peltier effect in general due to the complexity of measuring small temperature gradients locally. Here we report that reducing the width of a graphene channel to 100 nm changes the Seebeck coefficient by orders of magnitude. Using a scanning thermal microscope allows us to probe the local temperature of electrically contacted graphene two-terminal devices or to locally heat the sample. We show that constrictions in mono- and bilayer graphene facilitate a spatially correlated gradient in the Seebeck and Peltier coefficient, as evidenced by the pronounced thermovoltage Vth and heating/cooling response ΔTPeltier, respectively. This geometry dependent effect, which has not been reported previously in 2D materials, has important implications for measurements of patterned nanostructures in graphene and points to novel solutions for effective thermal management in electronic graphene devices or concepts for single material thermocouples.

연구 동기 및 목표

• 그래핀에서 기하학적 나노구조화가 시베크 및 펠리에 계수와 같은 국소적 열전 성질에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 나노스케일 열해상도를 갖춘 그래핀 나노구속에서 공간적으로 분해능 있는 열전 응답을 측정하는 것.
• 양자 효과가 아니라 기하학적 구속이 2D 물질에서 열전 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하는 것.
• 전자 빔 리소그래피를 이용해 단일 재료로 구성된 전체 그래핀 기반 열전대 및 국소적 열관리 장치를 제작할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 100 nm 이하의 공간 해상도로 국소 온도 변화를 맵핑하기 위해 마이크로프로세스된 저항성 터치를 갖춘 스캐닝 열역학 현미경(S thM)이 사용된다.
• 두 가지 측정 프로토콜이 사용된다: (1) 1차 및 2차 고조파에서 락인 검출을 통해 Peltier 및 줄열 가열 반응을 분리하기 위해 교류(AC) 전압을 인가한다; (2) 예열된 S thM 터치를 사용하여 2차 고조파에서 열전압 반응을 측정한다.
• Peltier 효과는 진동수(17 Hz)에서 신호를 복원함으로써 추출되며, 줄열 가열은 두 배의 주파수(34 Hz)에서 분리된다.
• 비평형 스캐닝 프rob 열측정법을 사용하여 Peltier 및 줄열 효과를 분리하고, 터치-샘플 접촉에 의한 오염 요소를 최소화한다.
• S thM을 통한 동시 높이 맵핑을 통해 그래핀 구속의 정확한 위치를 열 신호와 연관지어 정위치를 확보한다.
• 이론적 모델링 및 유한요소법(FEM) 시뮬레이션은 전자 평균 자유로움 길이와 열전 응답의 변화를 경계 산산이 흩어짐이 유도함을 해석하는 데 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀에서 기하학적 나노구속이 국소 시베크 계수에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 스캐닝 열역학 현미경을 사용해 그래핀 나노구속에서 Peltier 효과를 공간적으로 분석할 수 있는가?
• RQ3 100 nm 너비의 그래핀 구속에서 Peltier 가열/냉각의 크기와 공간 분포는 어떻게 되는가?
• RQ4 전자의 평균 자유로움 길이 감소로 인한 경계 산산이 흩어짐이 그래핀에서 열전 효과를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 그래핀 나노구속은 효과적인 국소적 단일 재료 열전대로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 기하학적 구속과 경계 산산이 흩어짐으로 인해 100 nm 너비의 그래핀 나노구속에서 시베크 계수는 수개 차수 변화한다.
• 공간적으로 관련된 Peltier 효과가 관측되었으며, 약 90 μA의 전류를 인가했을 때 구속의 양쪽면에서 최대 ±2 K의 냉각 또는 가열이 발생한다.
• Peltier 신호는 구속의 가장자리에서 가장 강력하며 중심부에서는 노드를 보이며, 이는 국소 시베크 계수의 공간적으로 변조된 특성과 일치한다.
• 줄열 가열은 전류 밀도가 증가함에 따라 구속 중심부에서 최대가 되어 국소 저항성 가열을 확인한다.
• 열전압 반응은 개방 회로 조건에서 Peltier 신호와 강하게 상관되며, 이는 수정된 국소 시베크 계수에 기인함을 확인한다.
• 단일층 및 이중층 그래핀 간 두께 의존성은 유의미하게 관측되지 않아, 효과가 주로 기하학적이며 층 수에 따라 달라지지 않는다는 것을 시사한다.