크기에 대한 실험적 증거

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8290(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

비스무트 나노와이어의 전기 전달은 샘플의 기하학적 구조와 결정화도에 의해 크게 영향을 받습니다. 벌크 비스무스와 비교하여, 나노와이어의 전기적 전달은 크기 효과에 의해 지배되고 표면 상태에 의해 영향을 받습니다. 이는 표면 대 부피 비율이 증가함에 따라, 즉 와이어 직경이 감소함에 따라 관련성이 증가합니다. 따라서 맞춤형 직경과 결정성을 갖춘 비스무트 나노와이어는 우수한 모델 시스템을 구성하여 다양한 전송 현상의 상호 작용을 연구할 수 있습니다. 여기에서는 폴리머 템플릿에서 펄스 전기 도금으로 합성된 직경이 40~400 nm 사이인 평행 비스무트 나노와이어 어레이의 온도 의존적 ​​제벡 계수와 상대 전기 저항 측정을 제시합니다. 전기 저항과 Seebeck 계수는 모두 비단조적인 온도 의존성을 나타내며, Seebeck 계수의 부호는 온도가 감소함에 따라 음수에서 양수로 변경됩니다. 관찰된 거동은 크기에 따라 다르며 나노와이어 내 전하 캐리어의 평균 자유 경로의 한계에 기인합니다. 관찰된 크기 의존적 Seebeck 계수, 특히 크기 의존적 부호 변화는 직경이 다른 나노와이어로 만들어진 p-레그와 n-레그를 갖는 단일 재료 열전대에 대한 유망한 길을 열어줍니다.

18세기부터 알려진 비스무트(Bi) 원소는 오늘날에도 여전히 연구되고 있는 흥미롭고 흥미로운 특성을 보여줍니다1,2. 그 화합물은 열전 분야에서 특히 흥미롭고 최근 토폴로지 절연체의 젊은 연구 분야에서 주목을 받았습니다. Bi가 고차 토폴로지 재료 클래스에 속할 수 있다는 것이 밝혀져 비스무트의 전기 전달 과정이 다음과 같다는 것을 증명했습니다. 아직 완전히 풀리지 않았습니다2,3,4. 이는 특히 추가적인 크기 효과와 표면 상태가 전송 특성에 영향을 미칠 수 있는 나노와이어와 같은 저차원 시스템의 경우에 해당됩니다.

벌크 Bi는 매우 이방성인 페르미 표면을 갖는 반금속입니다. 이는 낮은 전하 캐리어 농도(~ 1017 cm−3)와 작은 유효 질량을 가지고 있습니다7,9. 전하 캐리어의 평균 자유 경로는 실온에서 100nm 정도이고 4.2K10,11에서는 400μm 정도입니다. 따라서 유한 크기 효과, 예를 들어 Mayadas 및 Shatzkes, Fuchs-Sondheimer 및 Dingle의 모델에 의해 설명된 결정립 경계 또는 나노와이어 표면에서의 전하 캐리어의 산란은 이미 다소 큰 나노와이어 직경에서 발생합니다. 15. 전하 캐리어의 유효 질량이 작기 때문에 Bi의 페르미 파장은 실온에서 ~ 40nm로 다소 큽니다6. 재료의 기하학적 치수가 유사한 경우 이는 소위 양자 크기 효과로 이어질 수 있으며, 이는 전자 상태 밀도에 영향을 미치고 이에 따라 재료의 전자 전송 특성에 영향을 줍니다5,6,16. 전자 밴드 구조의 변화로 인해 반금속에서 반도체로의 전이도 나노와이어 직경의 함수로서 Bi 나노와이어에 나타납니다. 결정 방향에 따라 전이는 77 K8,17에서 ~ 40 ~ 55 nm 직경의 직경에서 발생합니다.

예측된 양자 크기 효과는 매우 얇은 나노와이어에서 제벡 계수(S), 즉 온도 차이가 존재할 경우 물질에 의해 생성되는 전압을 크게 증가시키는 방법을 제공하는 것처럼 보이므로 열전 커뮤니티의 관심을 끌었습니다. 벌크 재료7,16,18,19. 그러나 초기에 예측된 이득은 실현될 수 없었고 Cornett et al.의 새로운 계산이 이루어졌습니다. 전송에 대한 다중 서브밴드의 기여를 고려하면 역률의 이득은 와이어 직경이 17nm보다 작은 훨씬 더 얇은 나노와이어에 대해서만 달성될 수 있음을 보여주었습니다. Kim 등의 계산. Landauer 형식을 적용하면 모드당 Seebeck 계수가 낮은 차원으로 향상될 수 있지만 이러한 이점을 실현하려면 작은 직경을 가진 나노와이어의 높은 패킹 밀도가 필요하다는 것을 보여주었습니다. 그러나 Seebeck 계수가 증가할 수 있더라도 이러한 작은 와이어 크기에서는 캐리어 산란 메커니즘 및 기하학적 구조에 대한 더 강한 민감도로 인해 전기 전도도가 감소하여 역률의 총 이득을 달성하지 못할 수도 있습니다. 또한, 10 nm보다 작은 직경에 대해 이론적으로 예측된 ​​Seebeck 계수 이득조차도 Bi 내 전기 전달에 대한 표면 상태의 중요한 기여로 인해 실현되지 않을 수 있습니다. 나노와이어의 표면 대 부피 비율은 매우 높을 수 있으므로 표면 이동으로 인한 효과도 나노와이어의 전체 이동 특성에 크게 기여할 것으로 예상됩니다23. Bi의 낮은 굴절률 평면에 대한 금속과 같은 표면 상태가 알려져 있어 표면이 벌크보다 훨씬 더 나은 금속 거동을 렌더링합니다9. 비스무트의 위상학적 표면 상태가 기여할 수 있는 범위는 아직 조사 중입니다2,3,4. 일반적으로 두 종류의 표면 상태 모두 금속처럼 행동할 수 있으므로 제벡 계수의 증가를 방지할 수 있습니다3. Seebeck 계수 및 전기 저항에 반대 기여를 하는 고유한 전송 프로세스의 특별한 조합에 대한 추가 통찰력을 제공하기 위해 벌크형에서 수 나노미터까지 맞춤화된 직경과 제어된 결정성을 갖춘 Bi 나노와이어는 상호 작용 및 상호 작용을 연구하기 위한 고유한 모델 시스템을 제시합니다. 이러한 다양한 크기에 따른 프로세스 중 하나입니다.