Campo débil, corriente fuerte: el efecto Nernst en grafeno multicapa
Contexto
El trabajo está aislado entre sus vecinos del archivo: junto a estudios de grafeno, superconductividad y modelos cuánticos, nadie había medido la termoEMF en campo magnético para películas multicapa cultivadas químicamente. Los artículos vecinos estudian superconductividad en grafeno y grafino, transferencia de calor en capas, magnetorresistencia. Todos tratan fenómenos cuánticos o colectivos en capas delgadas, pero la respuesta termoeléctrica en campo débil seguía siendo un punto ciego. Este trabajo muestra por primera vez que el grafeno CVD barato puede dar una gran señal termoeléctrica transversal a temperatura ambiente.
Métodos
Una película de grafeno multicapa, cultivada por deposición química de vapor, se formó como un puente de Hall de 1660 μm de largo y 200 μm de ancho. El espesor de la película fluctúa fuertemente entre 20 y 100 nm, y los granos tienen un tamaño de unos 10 μm. Para crear un gradiente de temperatura local, la película se calentó con un haz enfocado de láser infrarrojo de longitud de onda 8,1 μm y potencia 4 mW; el punto tenía un tamaño de unos 20 μm. El campo magnético se generó con imanes permanentes de diferentes tamaños, y su magnitud se determinó mediante la curva de calibración de la magnetorresistencia. El voltaje se midió entre fuente y drenador, y también entre las sondas de Hall, escaneando el láser por toda el área de la muestra.
Resultados
Con campo magnético nulo, el mapa del voltaje fototermoeléctrico consiste en manchas aleatorias de signo positivo y negativo con un tamaño característico de 5 μm, lo que indica charcos de electrones y huecos. Cerca de los contactos metálicos, el signo se fija debido al dopaje, y la termoEMF longitudinal es de unos 10 μV/K. Al aplicar el campo, ya con 4 mT el voltaje transversal en los bordes se iguala al longitudinal en el contacto, y el signo se vuelve constante. Con el campo máximo de 315 mT, la termoEMF transversal alcanza 270 μV/K, lo que corresponde a un coeficiente de Nernst de 800 μV/(K·T). Para comparar, en el antimoniuro de indio, un semiconductor de referencia con alta movilidad, el coeficiente de Nernst es de unos 100 μV/(K·T). La magnetorresistencia de la película a 1 T fue del 100%, y el ajuste de la parte cuadrática dio una movilidad de (3–5)×10^4 cm²/(V·s), superior a la del grafito ordinario, debido a las capas torcidas.
Implicaciones
El trabajo se distingue de sus vecinos del archivo porque demuestra por primera vez un gran efecto Nernst en grafeno multicapa cultivado químicamente a temperatura ambiente y en campos de militesla. Los artículos vecinos investigan superconductividad, modelos cuánticos o transferencia de calor, pero nadie había medido la termoEMF transversal en películas tan desordenadas. El punto clave es la alta movilidad, causada por el desacoplamiento de las capas debido a rotaciones aleatorias, lo que permite que los portadores se desvíen eficazmente con el campo magnético. Esto pone en duda las evaluaciones anteriores de que el grafeno CVD no es adecuado para la termoelectricidad debido a su baja movilidad.
Desarrollo futuro
El tema puede desarrollarse hacia la descripción teórica del efecto Nernst en películas no homogéneas con fluctuaciones de espesor y dopaje. Los modelos existentes para la magnetorresistencia y el efecto Hall en tales medios no cubren la termoEMF transversal. Experimentalmente, sería interesante comprobar si el gran efecto se mantiene en películas sin capas torcidas, y también utilizar calentamiento Joule selectivo con un termómetro en el chip para medir la temperatura con mayor precisión.
Impacto
Los resultados influirán en el desarrollo de generadores termoeléctricos basados en grafito, especialmente para la recuperación de calor de baja temperatura. También son importantes para comprender el transporte en materiales laminares desordenados.
Próximos pasos
Medir el efecto Nernst en películas con un grado controlado de torsión de capas y en muestras sin torsión. Construir un modelo teórico que relacione la movilidad y el coeficiente de Nernst en películas delgadas no homogéneas.
Problemas abiertos clave
El trabajo aborda directamente el problema de la eficiencia termoeléctrica en semimetales compensados, donde la termoEMF longitudinal está suprimida por la simetría electrón-hueco. Muestra que el efecto Nernst transversal puede sortear esta limitación incluso en películas policristalinas baratas. Sigue abierta la cuestión del papel del desorden y los bordes de grano en el fortalecimiento o debilitamiento de los fenómenos termomagnéticos.
Un campo magnético de solo 4 mT, generado por un pequeño imán permanente, ya es suficiente para que el voltaje transversal en la película de grafeno se iguale al longitudinal. Este campo es cientos de veces más débil que el de un imán típico de nevera.
Cifras clave
- termoEMF transversal a 315 mT: 270 μV/K
- coeficiente de Nernst: 800 μV/(K·T)
- magnetorresistencia a 1 T: 100%
- movilidad de portadores: (3–5)×104 cm²/(V·s)
- tamaño característico de los charcos de electrones y huecos: 5 μm