Слабое поле, сильный ток: эффект Нернста в многослойном графене ✛

На столе лежит кусок графита, выращенный из газа, как налёт на стенке реактора. Обычно такой материал не годится для превращения тепла в электричество: внутри него электроны и дырки бегут в разные стороны и гасят друг друга. Но если этот кусок поместить в магнитное поле и нагреть с одного края, заряды начинают двигаться в одну сторону, как толпа, которую регулировщик направляет в один выход. Этот эффект, открытый более ста лет назад, называется эффектом Нернста. До сих пор его считали слишком слабым в дешёвых углеродных плёнках, чтобы использовать на практике.

Исследователи вырастили плёнку многослойного графена методом химического осаждения из газовой фазы. Толщина плёнки колебалась от 20 до 100 нанометров, а зёрна имели размер около 10 микрометров. Плёнку нагревали сфокусированным инфракрасным лазером с длиной волны 8,1 микрометра и мощностью 4 милливатта, пятно имело размер около 20 микрометров. Магнитное поле создавали постоянными магнитами, а его величину определяли по калибровочной кривой магнитосопротивления. Напряжение измеряли между истоком и стоком, а также между холловскими зондами, сканируя лазером по всей площади образца.

Когда включили поле всего 4 миллитесла, поперечное напряжение у краёв сравнялось с продольным у контакта, а знак стал постоянным. При максимальном поле 315 миллитесла поперечная термоЭДС достигла 270 микровольт на кельвин. Это соответствует коэффициенту Нернста 800 микровольт на кельвин-тесла. Для сравнения, у антимонида индия, эталонного полупроводника с высокой подвижностью, коэффициент Нернста около 100 микровольт на кельвин-тесла. Магнитосопротивление плёнки при 1 тесла составило 100%, а подгонка квадратичной части дала подвижность (3–5)×$10^4$ квадратных сантиметров на вольт-секунду, что выше, чем у обычного графита, из-за скрученных слоёв.

Раньше считалось, что химически выращенный многослойный графен имеет слишком низкую подвижность, чтобы давать заметный эффект Нернста при комнатной температуре и в слабых полях. Оказалось, что подвижность в таких плёнках достигает (3–5)×$10^4$ квадратных сантиметров на вольт-секунду, и поперечная термоЭДС достигает 270 микровольт на кельвин уже при 315 миллитеслах, что в разы выше, чем у эталонных полупроводников. Это открывает путь к дешёвым термоэлектрическим генераторам на основе графита, особенно для утилизации низкопотенциального тепла.

Магнитное поле выступило в роли регулировщика, который заставил электроны и дырки двигаться в одну сторону, и дешёвая углеродная плёнка неожиданно оказалась сильным термоэлектриком. Сегодня уже можно проектировать устройства, которые собирают бросовое тепло и превращают его в электричество, используя графитовые плёнки и слабые магниты. Тот же кусок графита, что лежал на столе, теперь обещает стать основой для генераторов, работающих от тепла ладони или выхлопной трубы.