Peltiereffect waargenomen in grafeen

Thermo-elektronica is het vakgebied dat situaties bestudeert waarin een temperatuurverschil een elektrisch potentieel opwekt, of omgekeerd, waarin een elektrisch potentieel een temperatuurverandering veroorzaakt. Een voorbeeld hiervan is het Peltiereffect. Dit is een temperatuurverschil dat ontstaat wanneer spanning wordt gezet op twee elektroden die verbonden zijn met een halfgeleidermateriaal. Door het Peltiereffect kan opwarmen en koelen elektronisch geregeld worden.

Onderzoekers van Rijksuniversiteit Groningen en de University of Manchester hebben nu voor het eerst het Peltiereffect rechtstreeks waargenomen in grafeen van één of twee atomen dik. Ze hebben onweerlegbaar aangetoond dat het effect omgeschakeld kan worden van opwarmen naar koelen door het soort en de dichtheid van de ladingdragers binnenin het materiaal te variëren.

Twee dimensies

De onderzoekers kozen voor grafeen vanwege de tweedimensionale aard van het materiaal: grafeen is een ‘kippengaas’ van koolstofatomen dat in het algemeen maar één atoom dik is. Daarmee is het de beste kandidaat om een volledig regelbaar Peltiereffect aan te tonen. Elektrische contacten op het grafeen maakten het elektronisch schakelen van opwarmen en koelen via het Peltiereffect mogelijk. Voor de waarneming van dit opwarmen en koelen hebben de onderzoekers gevoelige thermometers op nanoschaal gemaakt die de temperatuur van elektronen in het grafeen rechtstreeks kunnen meten. Deze praktische benadering is de eerste in zijn soort die is toegepast in een tweedimensionaal materiaal en de gevoeligheid is duizend maal beter dan die van haar voorgangers: tot 0,1 milliKelvin.

Duurzame elektronica

Thermo-elektronica kan een rol spelen in het beheersen van warmte en in het genereren van elektrische energie uit afvalwarmte. De groep zeer dunne materialen die aan het ontstaan is met een dikte van één atoom, zoals grafeen, biedt opwindende mogelijkheden, omdat het relatief makkelijk is de thermo-elektrische eigenschappen van deze materialen te regelen. De wetenschappelijke belangstelling voor de wisselwerking tussen lading en warmte in tweedimensionale materialen biedt mogelijkheden voor nieuw fundamenteel onderzoek en draagt bij aan het ontwikkelen van duurzamere elektronica.

Direct electronic measurement of Peltier cooling and heating in graphene, Nature Communications, 7, 11525 (2016).