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Thermoelektrische Effizienz von Quantenpunkten jetzt charakterisiert

Thermoelektrische Materialien können Temperaturunterschiede in elektrische Energie umwandeln und umgekehrt. In Nano-Größe könnten sie sich für nützliche Anwendungen eignen und zum Beispiel Mikrochips kühlen oder in Form nanoskaliger thermoelektrischer Generatoren deren Energieeffizienz erhöhen.

Thermoelektrische Materialien können Temperaturunterschiede in elektrische Energie umwandeln und umgekehrt. In Nano-Größe könnten sie sich für nützliche Anwendungen eignen und zum Beispiel Mikrochips kühlen oder in Form nanoskaliger thermoelektrischer Generatoren deren Energieeffizienz erhöhen. Während bei makroskopischen Materialien die sogenannten Transportkoeffizienten problemlos messbar sind, die nötig sind um die thermoelektrische Effizienz eines Materials zu bestimmen, ist es bei nanodimensionierten Proben technisch schwierig, den Seebeck-Koeffizienten zu messen, der zu den Transportkoeffizienten gehört. Ein Forscherteam aus Grenoble, Pisa und Jülich hat diesen fundamentalen thermoelektrischen Parameter nun erstmals in einem einzelnen Quantenpunkt gemessen und theoretisch modelliert.

Kolorierte elektronenmikroskopische Aufnahme eines Quantenpunktes.Kolorierte elektronenmikroskopische Aufnahme eines Quantenpunktes.
Copyright: Reprinted with permission from Nano Lett., 2019, 19 (1), pp 506–511. Copyright 2019 American Chemical Society

"Damit wird es nun erstmals möglich, die thermoelektrische Effizienz von nanoskaligen und molekularen Quantenpunkt-Bauelementen im Experiment zu charakterisieren, was einen enormen Fortschritt für die Entwicklung leistungsfähigerer Computerchips bedeutet", sagt Dr. Theodoulos Costi vom Forschungszentrum Jülich. Zusammen mit Dr. Veljko Zlatic, einem Gast aus Zagreb, hatte er bereits 2010 eine Theorie des thermoelektrischen Transports durch Kondo-korrelierte Quantenpunkte formuliert.

Neben der direkten Messung des Seebeck-Koeffizienten stellt das Team aus experimentellen und theoretischen Physikern nun außerdem eine neue Möglichkeit vor, den so genannten Kondo-Effekt in Experimenten zu identifizieren. Bisher haben Physiker den Kondo-Effekt in Quanten-Punkten identifiziert, indem sie einen charakteristischen für diesen Effekt anomalen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen unterhalb der Kondo-Temperatur TK gemessen haben. Jetzt öffnet sich ein zweiter experimenteller Weg, den Effekt zu identifizieren: die Messung eines für den Kondo-Effekt charakteristischen Vorzeichenwechsels des Seebeck-Koeffizienten unterhalb einer neu eingeführten Temperatur T1 . Diesen nun erstmals gemessen Vorzeichenwechsel als Signatur des Kondo-Effekts hatten Costi und Zlatic bereits 2010 vorhergesagt. "Damit haben wir nun neue Kriterien zur Verfügung für die Identifizierung des Kondo-Effekts im thermoelektrischen Transport durch Quanten-Punkten", fasst Costi zusammen.

Originalveröffentlichungen:

B. Dutta, D. Majidi, A. Garcia Corral, P. Erdman, S. Florens, T. A. Costi, H. Courtois, C. B. Winkelmann;
Direct Probe of the Seebeck Coefficient in a Kondo-Correlated Single-Quantum-Dot Transistor;
Nano Lett., 2019, 19 (1), pp 506–511, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b04398


T. A. Costi and V. Zlatic;
Thermoelectric transport through strongly correlated quantum dots;
Phys. Rev. B81, 235127 (2010), DOI: 10.1103/PhysRevB.81.235127

Weitere Informationen:

Peter Grünberg Institut/Institute for Advanced Simulation –Theoretische Nanoelektronik (PGI-2/IAS-3)

Ansprechpartner:

Dr. Theodoulos Costi
Peter Grünberg Institut/Institute for Advanced Simulation –Theoretische Nanoelektronik (PGI-2/IAS-3)
Tel.: 02461 61-4246
E-Mail: t.costi@fz-juelich.de

Pressekontak:

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich,
Tel.: 02461 61-6048
E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de


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