Eng: A newly discovered collective rattling effect in a type of crystalline semiconductor blocks most heat transfer while preserving high electrical conductivity – a rare pairing that scientists say could reduce heat buildup in electronic devices and turbine engines, among other possible applications. A team led by scientists at the Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) discovered these exotic traits in a class of materials known as halide perovskites, which are also considered promising candidates for next-generation solar panels, nanoscale lasers, electronic cooling, and electronic displays.
Rattling structures of halide perovskites can be seen in the picture above: cesium tin iodide (left) and cesium lead iodide (right). The interrelated thermal and electrical (or “thermoelectric”) properties were found in nanoscale wires of cesium tin iodide (CsSnI3). The material was observed to have one of the lowest levels of heat conductivity among materials with a continuous crystalline structure. This so-called single-crystal material can also be more easily produced in large quantities than typical thermoelectric materials, such as silicon-germanium, researchers said.
Within the material’s crystal structure, the distance between atoms is shrinking and growing in a collective way that prevents heat from easily flowing through. But because the material is composed of an orderly, single-crystal structure, electrical current can still flow through it despite this collective rattling. Picture its electrical conductivity is like a submarine traveling smoothly in calm underwater currents, while its thermal conductivity is like a sailboat tossed about in heavy seas at the surface.
A challenge is that the material is highly reactive to air and water, so it requires a protective coating or encapsulation to function in a device.
Ro: Un efect colectiv zgomotos întâlnit într-un tip de semiconductor cristalin a fost descoperit, care blochează transferul de căldură în timp ce prezervă conductivitate electrică ridicată – o pereche rară considerată de cercetători că ar putea reduce acumularea de căldură în dispozitivele electronice și turbine, pe lângă alte posibile aplicabilități. O echipă condusă de oameni de știință de la Departamentul de Energie al Laboratorului Național Lawrence Berkley a descoperit aceste proprietăți exotice într-o clasă de materiale cunoscute ca halide perovskite, care sunt considerate niște candidate pentru panourile solare, lasere de dimensiuni nano, răcire electronică, și ecrane electronice.
În imagine se pot vedea cele două structuri de halide perovskite: clorură de iodură de cesiu (stânga) și clorhidrat de iodură de cesiu (dreapta). Proprietăți termoelectrice importante au fost găsite în fire de dimensiuni nano de clorură de iodură de cesiu. S-a observat că materialul are unul din cele mai scăzute nivele de conductivitate a căldurii dintre materialele cu o structură cristalină. De asemenea, acest tip de material poate fi produs în cantități mari, comparabil cu materialele din siliciu-germaniu.
În structura de cristal a materialului, distanța dintre atomi se micșorează și crește într-un mod colectiv, ceea ce previne căldura să se miște în interior. Dar din cauză că materialul este compus din structuri cristaline ordonate, curentul electric poate trece, în ciuda efectului zgomotos. Conductivitatea sa electrică este similară cu cea a unui submarin care călătorește în mod lin în curenții subacvatici, în timp ce conductivitatea sa termală este cu cea a unei bărci cu pânze aruncată în mări agitate la suprafață.
O provocare este că materialul este foarte reactiv la aer și apă, de aceea are nevoie de un strat de protecție sau încapsulare ca să poată funcționa într-un dispozitiv.
Read more here (DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory. “A semiconductor that can beat the heat: Scientists discover unique thermoelectric properties in cesium tin iodide.” ScienceDaily. ScienceDaily, 31 July 2017.)
Original paper: Lee, W., Li, H., Wong, A.B., Zhang, D., Lai, M., Yu, Y., Kong, Q., Lin, E., Urban, J.J., Grossman, J.C. and Yang, P., 2017. Ultralow thermal conductivity in all-inorganic halide perovskites. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(33), pp.8693-8697.
