Schéma jednoduchého teploměru využívajícího Seebeckův efekt (termopily) – sériové spojení několika termočlánků z drátů ze železa a mědi jako snímačů záření, ve kterých jsou chladnější spoje udržovány při konstantní teplotě, zatímco opačné konce jsou vystaveny záření, které je zahřívá. Tím vzniká elektrické napětí, ze kterého lze odvodit intenzitu záření. Kredit: Cmglee, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Jsou ty tam doby, kdy zvídavý vzdělanec mohl pomocí jednoduchých pomůcek doslova v domácích podmínkách dělat experimenty odhalující tajemné fyzikální jevy, jejichž vysvětlení se povětšinou ani nedožil. Příkladem je termoelektrický jev. I když název mu právě před dvěma sty lety dal dánský fyzik a chemik Hans Christian Ørsted, tím, kdo ho pozoroval jako první, byl německý fyzik Thomas Johann Seebeck. V roce 1821 uskutečnil důmyslný, ale na vybavení nenáročný pokus. Do smyčky spojil dva dráty, jeden z mědi, druhý z bismutu. Když jeden koncový spoj zahříval a druhý naopak chladil, v blízkosti vodičů se střelka kompasu vychýlila. Smyčkou tedy dokola obíhal elektrický proud, který generoval slabé magnetické pole. (Jestli jste si kvůli svým školou povinným potomkům řekli, že by to za výukový demonstrační pokus stálo, shlédněte video).

Kris Bertnessová, specialistka na polovodiče a nanofonické metamateriály pro termoelektrická zařízení. Členka společnosti pro materiálový výzkum Kredit: NIST https://www.nist.gov/people/kris-bertness

Termoelektrický (Seebeckův) jev našel uplatnění při měření teplot, ovládání elektronických spínačů v plynových zařízeních, ale také v napájení některých přístrojů kosmických sond. V jejich případě elektřinu dodává radioizotopový termoelektrický generátor, jehož jádro z oxidu plutonia ohřívá radioaktivní rozpad na teplotu přes 500 °C. Jádro obklopují sady termočlánků ze speciálních materiálů, jejichž vnější stranu ochlazuje mrazivé okolní kosmické prostředí (video).

Monokrystal nitridu gallia. Kredit: Opto-p, Wikimedia Commons, volné dílo

Což tak Seebeckův jev využít i v pozemských podmínkách k proměně tepelné energie, která je vedlejším produktem mnoha spalovacích procesů a která se jen tak nazdařbůh vyzařuje do okolí? K tomu je ale zapotřebí najít materiál, který je elektricky dobře vodivý, ale zároveň co nejvíce udrží teplotní rozdíl mezi dvěma oblastmi, má tedy co nejnižší tepelnou vodivost. Jenže který elektrický vodič je zároveň tepelným téměř izolantem?

S problémem se zajímavým způsobem poprali výzkumníci z Coloradské univerzity v Boulderu ve spolupráci s Kris Bertnessovou z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST). Vědci vypracovali metodu, jak na destičku z polovodičového křemíku nanést husté pole stovek tisíců jen mikrometry, tedy tisíciny milimetru vysokých sloupků z nitridu gallia. Pak ze spodní strany křemíkové podložky odstranili většinu materiálu, až zůstal jen velmi tenký plátek s „porostem“ mikrosloupečků GaN. Jak tato struktura ovlivnila tepelnou vodivost křemíku?

Ilustrace mikrometry vysokých sloupků použitých v dizajnu nového metamateriálu pro efektivní přeměnu tepelné energie na elektřinu. Kredit: S. Kelley / NIST

V pevné látce jsou atomy nebo molekuly spjaté vazbami do krystalové mřížky. Lokálně působící zvýšená teplota, případně zvukové vlny vyvolané například úderem, generují jejich prostorově omezený kmitavý pohyb, kterým se energie vnějšího podnětu předává dál sousedním atomům nebo molekulám.

Termoelektrický obvod složený z materiálů s různými Seebeckovými koeficienty (p-dopované a n-dopované polovodiče), konfigurovaný jako termoelektrický generátor. Pokud je zatěžovací rezistor ve spodní části nahrazen voltmetrem, obvod funguje jako termočlánek snímající teplotu. Kredit: Ken Brazier, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Ve formě vibrací určitých módů tak putuje materiálem. Tyto kolektivní vibrace se jeví jako šíření se virtuálních částic (kvazičástic), nosičů energetických kvant, které se nazývají fonony.

Když fonony putují křemíkovou destičkou, některé vyvolají rezonanční vibrace i v nitridu gallia. Vybuzené kmity jsou ale uvězněné v podobě stojatých vln mezi stěnami drobných sloupků, podobně jako kmity kytarové struny uchycené na obou koncích. Tyto interakce mezi fonony putujícími tenkým křemíkovým plátkem a vibracemi v mikrosloupcích GaN až o 21 % zpomalují průchod tepla křemíkem. Tedy snižují jeho tepelnou vodivost, zatímco tu elektrickou neovlivňují (video pod textem).

Jde zatím o první fázi výzkumu, jehož cílem bylo nový termoelektrický materiál otestovat. Mohl by být velice nadějný i pro lokální přeměnu nevyužitého tepla unikajícího z povrchu potrubína elektřinu. Také chlazení počítačových čipů se nabízí jako jedna z možných aplikací. Problémem je v mikronových sloupcích použité gallium. Jde o poměrně vzácný prvek, mnohonásobně dražší než lépe dostupný křemík. Tým proto pokračuje na vývoji struktur vyrobených výhradně z křemíku, s vylepšenou geometrií pro termoelektrickou rekuperaci tepla.

Výsledky dosavadního výzkumu zveřejnil časopis Advanced Materials (zde). Článek je volně dostupný v preprintové verzi na serveru arXiv (zde).

Video: Využití mikrosloupků k efektivní přeměně tepla na elektřinu. Vytvořením titěrných tyčinek z nitridu gallia na křemíkové membráně vědci z NIST a jejich kolegové z Coloradské univerzity v Boulderu snížili v křemíkovém podkladu přenos tepla o 21 %, aniž by se snížila jeho elektrická vodivost. Nový termoelektrický materiál by mohl výrazně zefektivnit přeměnu tepelné energie v elektrickou.

V pevných látkách je tepelná energie přenášena fonony, periodickými vibracemi atomů v krystalové mřížce. Určité vibrace fononů (vibrační módy) v membráně rezonují s vibracemi fononů v nanosloupcích, což zpomaluje přenos tepla. Důležité je, že se to netýká pohybu elektronů, takže elektrická vodivost zůstává vysoká. Kredit: S. Kelley/NIST

Video: Elektřina, co se točí pořád dokola, vysvětlení termoelektrického jevu. Kredit: Steve Mould

Literatura

Advanced Materials; NIST; arXiv