Un'immagine al microscopio elettronico a scansione mostra un nanofilo d'oro a cristallo singolo su un substrato di ossido termico. Gli scienziati della Rice University hanno dimostrato che deformazioni e difetti nel materiale possono modificare la sua risposta termoelettrica. Credito:Natelson Research Group/Rice University
Sebbene le Olimpiadi estive siano state rinviate, c'è almeno un posto dove vedere ostacolisti agili andare per l'oro.
Hai solo bisogno di un modo per visualizzare questi giochi di elettroni.
Utilizzando un nuovo sistema di rilevamento ottico, i ricercatori della Rice University hanno scoperto che l'elettricità generata dalle differenze di temperatura non sembra essere influenzata in modo misurabile dai bordi dei grani posti sulla sua strada nei fili d'oro su scala nanometrica, mentre la deformazione e altri difetti nel materiale possono modificare questa risposta "termoelettrica".
Il fenomeno potrebbe consentire la rilevazione di difetti cristallini in materiali conduttori difficili da individuare e caratterizzare anche con i metodi microscopici più avanzati.
Il risultato è stato una sorpresa per i ricercatori guidati dal fisico della Rice Doug Natelson e dall'ex studentessa di dottorato Charlotte Evans, ora uno scienziato del personale presso i Sandia National Laboratories, che hanno perseguito la spiegazione dopo aver visto misurazioni che non erano in grado di spiegare alcuni anni fa.
"Molte volte, le persone pensano all'effetto termoelettrico quando costruiscono pannelli solari o generano energia da questo o quello, "Evans ha detto. "Noi sosteniamo invece che l'effetto termoelettrico è uno strumento diagnostico davvero interessante".
Il sistema di rilevamento ottico della Rice University rivela piccoli difetti strutturali in un nanofilo d'oro che può sembrare un cristallo perfetto al microscopio elettronico a scansione. La scoperta ha implicazioni per la realizzazione di dispositivi elettronici a film sottile migliori. Credito:Charlotte Evans/Rice University
Lo studio appare in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
I bordi dei grani sono i piani nei materiali in cui si incontrano i cristalli disallineati, costringendo gli atomi lungo il bordo ad adattarsi mentre si legano ai loro vicini. Le misurazioni in nanofili d'oro bi-cristallo prodotti dal gruppo dell'ingegnere elettrico e coautore della Stanford University Jonathan Fan non hanno mostrato alcun effetto rilevabile sulle tensioni termoelettriche al confine del grano:gli elettroni nel metallo hanno semplicemente ignorato il confine del singolo grano.
Le differenze di temperatura nei conduttori creano termoelettricità attraverso l'effetto Seebeck, un tipo di effetto termoelettrico. Questo effetto è comunemente usato per misurare le differenze di temperatura e per controllare i termostati. Il laboratorio Natelson ha innescato l'effetto Seebeck riscaldando una parte dei fili di Fan con un laser strettamente controllato, guidando gli elettroni a spostarsi dalla posizione calda verso le regioni più fredde, e ha prodotto una tensione da misurare. Non è stato osservato alcun cambiamento misurabile nella tensione quando il laser è stato spostato attraverso il bordo del grano nei bi-cristalli.
Quando il laser è stato spostato su parti degli stessi fili deformate, con distorsioni nel reticolo cristallino in tutto il filo, le variazioni di tensione sono diventate evidenti, Natelson ha detto. Ricotturare i dispositivi distorti ha in parte guarito i difetti, con conseguenti evidenti variazioni della corrente termoelettrica.
"C'è una comunità di persone che si divertono a migliorare la risposta termoelettrica, " Ha detto Natelson. "Devono essere consapevoli che problemi strutturali come distorsioni molto piccole al reticolo hanno effetti che non sono necessariamente piccoli. Le persone tendono a ignorare questi piccoli problemi strutturali, ma ogni volta che realizzi dispositivi a film sottile, c'è stress e tensione intrinseci nel materiale, solo per il modo in cui è fatto".
Utilizzando un nuovo sistema di rilevamento ottico che riscalda i fili d'oro su scala nanometrica con un singolo laser, i ricercatori della Rice University hanno dimostrato che l'elettricità generata dalle differenze di temperatura non è influenzata in modo misurabile dai bordi dei grani, mentre la deformazione e altri difetti nel materiale modificano la risposta termoelettrica. Credito:Natelson Research Group/Rice University
Evans ha affermato che i cristalli su scala nanometrica sono spesso caratterizzati tramite la diffrazione a retrodiffusione di elettroni (EBSD), un processo costoso e dispendioso in termini di tempo. "Il vantaggio del nostro processo è la sua semplicità, " ha detto. "Usiamo un grande spot da un laser, due micron, che è molto più grande delle dimensioni di un raggio elettronico, e possiamo rilevare le variazioni usando solo una tecnica di lock-in, un laser a scansione e un amplificatore di tensione.
"Se guardi i semplici dati EBSD, sembra che tu abbia un cristallo incontaminato, " ha detto. "E non è fino a quando non elabori i dati e guardi come varia ogni pixel dal successivo che vedresti piccole distorsioni lungo la lunghezza del filo. È complicato da rilevare. Ecco perché è così straordinario che siamo riusciti a rilevare queste piccole variazioni con un laser".
"Quindi se vuoi fare qualcosa di intelligente e sfruttare la risposta termoelettrica, devi capire i dispositivi che stai realizzando con lo standard, metodi di fabbricazione dall'alto verso il basso, " Natelson ha detto. "Lo stress e la tensione e quelle che sembravano imperfezioni strutturali minori possono avere un'influenza facilmente rilevabile".
