Evidenza sperimentale di una dimensione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8290 (2023) Citare questo articolo

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Il trasporto elettrico nei nanofili di bismuto è fortemente influenzato sia dalla geometria del campione che dalla cristallinità. Rispetto al bismuto sfuso, il trasporto elettrico nei nanofili è dominato dagli effetti dimensionali e influenzato dagli stati superficiali, che acquisiscono crescente rilevanza con l'aumento del rapporto superficie/volume, cioè con la diminuzione del diametro del filo. I nanofili di bismuto con diametro e cristallinità personalizzati costituiscono, quindi, eccellenti sistemi modello, che consentono di studiare l'interazione dei diversi fenomeni di trasporto. Qui presentiamo il coefficiente di Seebeck dipendente dalla temperatura e le relative misurazioni della resistenza elettrica di array di nanofili di bismuto paralleli con diametri compresi tra 40 e 400 nm sintetizzati mediante elettrodeposizione pulsata in modelli polimerici. Sia la resistenza elettrica che il coefficiente di Seebeck mostrano una dipendenza dalla temperatura non monotona, con il segno del coefficiente di Seebeck che cambia da negativo a positivo al diminuire della temperatura. Il comportamento osservato dipende dalle dimensioni ed è attribuito alle limitazioni del percorso libero medio dei portatori di carica all'interno dei nanofili. Il coefficiente di Seebeck osservato e dipendente dalle dimensioni e in particolare il cambiamento di segno dipendente dalle dimensioni apre una strada promettente per le termocoppie monomateriale con gambe p e n realizzate con nanofili di diverso diametro.

L'elemento bismuto (Bi), noto fin dal XVIII secolo, presenta proprietà interessanti e intriganti che sono ancora oggi oggetto di studio1,2. I suoi composti sono particolarmente interessanti nel campo della termoelettrica e hanno recentemente guadagnato attenzione nel giovane campo di ricerca degli isolanti topologici, dove è stato dimostrato che il Bi può appartenere alla classe dei materiali topologici di ordine superiore, dimostrando che i processi di trasporto elettrico del bismuto sono ancora non completamente svelato2,3,4. Ciò è vero soprattutto per i sistemi a bassa dimensionalità come i nanofili, per i quali ulteriori effetti dimensionali e stati superficiali possono influenzare le proprietà di trasporto5,6,7,8.

Bulk Bi è un semimetallo con una superficie di Fermi altamente anisotropa. Possiede una bassa concentrazione di portatori di carica (~ 1017 cm−3) e una piccola massa effettiva7,9. Il percorso libero medio dei portatori di carica è dell'ordine di 100 nm a temperatura ambiente e fino a 400 µm a 4,2 K10,11. Pertanto, effetti di dimensione finita, ad esempio la dispersione di portatori di carica sui bordi dei grani o sulla superficie nei nanofili, descritti dai modelli di Mayadas e Shatzkes nonché da Fuchs-Sondheimer e Dingle, si verificano già con diametri di nanofili piuttosto grandi12,13,14, 15. Come conseguenza della piccola massa effettiva dei portatori di carica anche la lunghezza d'onda di Fermi del Bi è piuttosto grande con ~ 40 nm a temperatura ambiente6. Quando le dimensioni geometriche del materiale sono simili, ciò può portare ai cosiddetti effetti di dimensione quantistica, che influenzano la densità elettronica degli stati e quindi le proprietà di trasporto elettronico del materiale5,6,16. A causa dei cambiamenti nella struttura delle bande elettroniche, nei nanofili Bi si presenta anche una transizione da semimetallo a semiconduttore in funzione del diametro del nanofilo. A seconda dell'orientamento cristallino la transizione avviene con diametri da ~ 40 a 55 nm a 77 K8,17.

Gli effetti di dimensione quantistica previsti hanno attirato l'interesse della comunità termoelettrica poiché sembravano offrire un modo per aumentare significativamente il coefficiente di Seebeck (S), cioè la tensione generata da un materiale se è presente una differenza di temperatura, in nanofili molto sottili rispetto a materiale sfuso7,16,18,19. I guadagni inizialmente previsti tuttavia non potevano essere realizzati e i calcoli più recenti di Cornett et al. prendendo in considerazione il contributo di più sottobande al trasporto, è stato dimostrato che i guadagni nel fattore di potenza sarebbero ottenibili solo per nanofili ancora più sottili con diametri di filo inferiori a 17 nm20. Calcoli di Kim et al. applicando il formalismo di Landauer è stato inoltre dimostrato che mentre il coefficiente di Seebeck per modalità può essere migliorato mediante una dimensionalità inferiore è necessaria una grande densità di impaccamento di nanofili con diametri piccoli per realizzare questo vantaggio21. Tuttavia, anche se il coefficiente di Seebeck può aumentare, a fili di piccole dimensioni la conduttività elettrica diminuisce a causa di una maggiore sensibilità ai meccanismi e alla geometria di diffusione dei portatori, impedendo possibilmente di ottenere guadagni totali nel fattore di potenza22. Inoltre, anche i guadagni del coefficiente di Seebeck teoricamente previsti per diametri inferiori a 10 nm potrebbero non essere realizzati a causa dei contributi significativi degli stati superficiali al trasporto elettrico all'interno del Bi. Poiché il rapporto superficie/volume dei nanofili può essere estremamente elevato, si prevede che anche gli effetti dovuti al trasporto superficiale contribuiscano in modo significativo alle proprietà di trasporto complessive dei nanofili23. Sono noti stati superficiali simili al metallo per piani a basso indice in Bi, che rendono la superficie un comportamento metallico notevolmente migliore rispetto alla massa9. In che misura potrebbero contribuire anche gli stati superficiali topologici del bismuto è ancora oggetto di studio2,3,4. In generale, entrambi i tipi di stati superficiali possono comportarsi come i metalli e quindi impedire un aumento del coefficiente di Seebeck3. Per fornire ulteriori approfondimenti sulla speciale combinazione di processi di trasporto unici con contributi opposti al coefficiente di Seebeck e alla resistenza elettrica, i nanofili Bi con diametro su misura da sfuso fino a pochi nanometri e cristallinità controllata presentano un sistema modello unico per studiare l'interazione e l'interazione di questi diversi processi dipendenti dalle dimensioni.