Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra un nanoalambre de oro monocristalino sobre un sustrato de óxido térmico. Los científicos de la Universidad de Rice demostraron que la tensión y los defectos en el material pueden cambiar su respuesta termoeléctrica. Crédito:Grupo de Investigación Natelson / Universidad Rice
Aunque los Juegos Olímpicos de Verano se pospusieron, hay al menos un lugar para ver a los ágiles vallistas ir por el oro.
Solo necesitas una forma de ver estos juegos de electrones.
Usando un novedoso sistema de detección óptica, Los investigadores de la Universidad de Rice encontraron que la electricidad generada por las diferencias de temperatura no parece verse afectada de manera mensurable por los límites de los granos colocados en su camino en los alambres de oro a nanoescala. mientras que la tensión y otros defectos en el material pueden cambiar esta respuesta "termoeléctrica".
El fenómeno podría permitir la detección de defectos cristalinos en materiales conductores que son difíciles de detectar y caracterizar incluso con los métodos microscópicos más avanzados.
El resultado fue una sorpresa para los investigadores dirigidos por el físico de Rice Doug Natelson y la alumna de doctorado Charlotte Evans, ahora un científico del personal en Sandia National Laboratories, que siguió la explicación después de ver medidas que no podían explicar hace unos años.
"Muchas veces, la gente piensa en el efecto termoeléctrico cuando están construyendo paneles solares o generando energía a partir de esto o aquello, ", Dijo Evans. En cambio, sostenemos que el efecto termoeléctrico es una herramienta de diagnóstico realmente interesante".
El sistema de detección óptica de la Universidad de Rice revela pequeños defectos estructurales en un nanoalambre de oro que puede parecer un cristal perfecto bajo un microscopio electrónico de barrido. El descubrimiento tiene implicaciones para hacer mejores dispositivos electrónicos de película delgada. Crédito:Charlotte Evans / Rice University
El estudio aparece en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
Los límites de grano son los planos en los materiales donde se encuentran los cristales desalineados, obligando a los átomos a lo largo del borde a ajustarse a medida que se unen a sus vecinos. Las mediciones en nanocables de oro bicristalino producidas por el grupo del ingeniero eléctrico y coautor Jonathan Fan de la Universidad de Stanford no mostraron ningún efecto detectable sobre los voltajes termoeléctricos en el límite del grano; los electrones del metal simplemente ignoraron el límite de un solo grano.
Las diferencias de temperatura en los conductores crean termoelectricidad a través del efecto Seebeck, un tipo de efecto termoeléctrico. Este efecto se usa comúnmente para medir diferencias de temperatura y controlar termostatos. El laboratorio de Natelson activó el efecto Seebeck calentando una parte de los cables de Fan con un láser estrictamente controlado, conducir electrones para que se muevan desde la ubicación caliente hacia regiones más frías, y produjo un voltaje para ser medido. No se observó ningún cambio medible en el voltaje cuando el láser se movió a través del límite de grano en los bicristales.
Cuando el láser se movió a través de partes de los mismos cables que se deformaron, con distorsiones en la celosía de cristal a lo largo del cable, los cambios en el voltaje se hicieron evidentes, Dijo Natelson. El recocido de los dispositivos distorsionados curó en parte los defectos, resultando en cambios claros en la corriente termoeléctrica.
"Hay una comunidad de personas que juegan con la mejora de la respuesta termoeléctrica, ", Dijo Natelson." Deben ser conscientes de que los problemas estructurales, como distorsiones muy pequeñas en la red, tienen efectos que no son necesariamente pequeños. La gente tiende a ignorar estos pequeños problemas estructurales, pero cada vez que crea dispositivos de película fina, hay tensión y tensión incorporadas en el material, sólo por la forma en que está hecho ".
Usando un novedoso sistema de detección óptica que calienta alambres de oro a nanoescala con un solo láser, Los investigadores de la Universidad de Rice demostraron que la electricidad generada por las diferencias de temperatura no se ve afectada de manera mensurable por los límites de los granos, mientras que la tensión y otros defectos en el material cambian la respuesta termoeléctrica. Crédito:Grupo de Investigación Natelson / Universidad Rice
Evans dijo que los cristales a nanoescala se caracterizan a menudo mediante difracción por retrodispersión de electrones (EBSD), un proceso costoso y que requiere mucho tiempo. "El beneficio de nuestro proceso es su simplicidad, ", dijo." Usamos un tamaño de punto grande de un láser, dos micrones, que es mucho más grande que el tamaño de un rayo electrónico, y podemos detectar variaciones utilizando solo una técnica de bloqueo, un láser de escaneo y un amplificador de voltaje.
"Si miras los datos simples de EBSD, parece que tienes un cristal prístino, ", dijo." Y no es hasta que procesa posteriormente los datos y observa cómo varía cada píxel del siguiente que verá pequeñas distorsiones a lo largo del cable. Es complicado de detectar. Por eso es tan notable que pudiéramos detectar estas pequeñas variaciones con un láser ".
"Entonces, si quieres hacer algo inteligente y aprovechar la respuesta termoeléctrica, necesita comprender los dispositivos que está creando con estándar, métodos de fabricación de arriba hacia abajo, ", Dijo Natelson." El estrés y la tensión y lo que parecían imperfecciones estructurales menores pueden tener una influencia fácilmente detectable ".
