Thermoelectric Phenomena in Quantum Dots

Abstract: Popular Abstract in Swedish Att en temperaturskillnad kan ge upphov till en elektrisk ström upptäcktes redan på 1800-talet och fenomenet är känt som den termoelektriska effekten. Denna effekt skulle kunna effektivisera energianvändningen överallt där det går att utnyttja en temperaturskillnad. Ett exempel är i en bil där en stor del av energin som tillförs genom bränsle förloras som spillvärme. Om denna spillvärme kunde användas för att driva ett termoelektriskt element istället för att bara slösas bort skulle bränsleförbrukningen kunna minskas. Under drygt tjugo år runt mitten av förra århundradet utvecklades, med hjälp av nyvunna kunskaper om halvledare, den teknologi som ännu idag används i många kommersiella termoelektriska element. Dagens termoelement är inte särskilt effektiva och den termoelektriska effekten utnyttjas därför främst inom specialområden där storlek, hållbarhet och tillförlitlighet är viktigare än hur mycket energi som kan produceras. Ett exempel på ett sådant område är satelliter och rymdsonder där man använder radioisotopsgeneratorer. Dessa bygger på att termoelektriska element omvandlar den värme som produceras vid radioaktivt sönderfall till elektricitet. Under 1990-talet förutspåddes utvecklingen inom nanoteknik vara lösningen för att förbättra effektiviteten hos termoelektriska material, och därmed göra dem gångbara som ett miljövänligt alternativ för att producera elektricitet, inte bara inom speciella applikationer, utan även i vårt dagliga liv. Med nanoteknik kan man producera material som består av komponenter som är mindre än 100 nanometer i åtminstone en dimension. Ett hårstrå är ungefär 70 000-100 000 nanometer tjockt. En sådan kraftig minskning av en komponents storlek gör att elektronerna inte längre kan röra sig i den riktningen, de begränsas alltså till rörelse i två dimensioner om den tredje dimensionen görs i nanoskala. Man kan begränsa elektronerna rörelsefrihet i ytterligare dimensioner genom att skala ner fler av komponentens sidor till nanostorlek, se Figur 1 för en illustrativ beskrivning av detta. Förhoppningen är att man med hjälp av denna begränsning av elektronernas rörelsefrihet ska kunna kringgå ett fundamentalt problem med termoelektricitet: Ett effektivt termoelektriskt element måste ha tre egenskaper: 1. God elektrisk ledningsförmåga, 2. Dålig värmeledningsförmåga, 3. En liten temperaturskillnad bör ge upphov till en stor spänning, eller med andra ord; hög termoelektrisk effekt. Dessa tre egenskaper är mer eller mindre omöjliga att kombinera i tredimensionella (3D) material, till exempel medför en god elektrisk ledningsförmåga också en god värmeledningsförmåga. I nanostrukturer gäller dock inte längre de samband mellan ovanstående egenskaper som omöjliggör ett effektivt termoelektriskt element. Man har redan bevisat att man i en endimensionell (1D) struktur, en nanotråd (Figur 2), kan minska värmeledningsförmågan med hjälp av de reducerade dimensionerna utan att påverka övriga egenskaper hos materialet. Vår forskning fokuserar på en struktur som förhindrar elektronernas rörelse i alla riktningar – en nolldimensionell kvantprick (Figur 1 (d)) i en nanotråd (Figur 2). Det speciella med en sådan kvantprick är att man kontrollerat kan tillåta elektroner att passera genom den och att man också kan välja vid vilken energi detta sker. Vi vill försöka förstå de mest grundläggande termoelektriska fenomen som uppstår när man utsätter en kvantprick för en temperaturskillnad. Denna information kan i framtiden ligga till grund för utvecklingen av effektivare termoelektriska material. Som bonus har vi insett att termoelektriska mätningar i sig själva kan användas för att komplettera strömmätningar när man undersöker låg-dimensionella system, något som tidigare inte har utnyttjats i särskilt stor utsträckning. Ett oväntat resultat av vår forskning är att vi har kunnat se en ökning i termoelektrisk effektivitet i 1D nanotrådar vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten (-270 till -250 °C). Det är första gången någon har observerat en sådan ökning. Denna ökning är nära knuten till kvantprickar. Det har visat sig att svagt definierade kvantprickar i nanotrådar är nyckeln till en ökad termoelektrisk effekt i vårt fall. Detta är ett mycket lovande resultat eftersom det möjliggör användning av tjockare nanotrådar, vilka är lättare att tillverka. Sannolikt är det möjligt att utnyttja effekten i många parallellkopplade nanotrådar, vilket är en förutsättning för att kunna använda nanotrådarna i kommersiella sammanhang.