Evidência experimental de um tamanho

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8290 (2023) Cite este artigo

399 acessos

Detalhes das métricas

O transporte elétrico em nanofios de bismuto é fortemente influenciado pela geometria e cristalinidade da amostra. Comparado ao bismuto a granel, o transporte elétrico em nanofios é dominado por efeitos de tamanho e influenciado por estados de superfície, que ganham relevância crescente com o aumento da relação superfície-volume, ou seja, com a diminuição do diâmetro do fio. Os nanofios de bismuto com diâmetro e cristalinidade personalizados constituem, portanto, excelentes sistemas modelo, permitindo estudar a interação dos diferentes fenômenos de transporte. Aqui, apresentamos o coeficiente de Seebeck dependente da temperatura e medições de resistência elétrica relativa de arranjos de nanofios de bismuto paralelos com diâmetros entre 40 e 400 nm sintetizados por eletrodeposição pulsada em modelos de polímero. Tanto a resistência elétrica quanto o coeficiente de Seebeck exibem uma dependência não monotônica da temperatura, com o sinal do coeficiente de Seebeck mudando de negativo para positivo com a diminuição da temperatura. O comportamento observado é dependente do tamanho e é atribuído a limitações do caminho livre médio dos portadores de carga dentro dos nanofios. O coeficiente de Seebeck dependente do tamanho observado e, em particular, a mudança de sinal dependente do tamanho, abre um caminho promissor para termopares de material único com pernas p e n feitas de nanofios com diâmetros diferentes.

O elemento bismuto (Bi), conhecido desde o século XVIII, exibe propriedades excitantes e intrigantes que ainda hoje estão sob investigação1,2. Seus compostos são especialmente interessantes no campo da termoelétrica e recentemente ganharam destaque no jovem campo de pesquisa de isoladores topológicos, onde foi demonstrado que o Bi pode pertencer à classe de materiais topológicos de ordem superior, provando que os processos de transporte elétrico do bismuto são ainda não completamente desvendado2,3,4. Isso vale especialmente para sistemas de baixa dimensão, como nanofios, para os quais efeitos de tamanho adicionais e estados de superfície podem influenciar as propriedades de transporte5,6,7,8.

Bulk Bi é um semimetal com uma superfície de Fermi altamente anisotrópica. Possui uma baixa concentração de portadores de carga (~ 1017 cm-3) e uma pequena massa efetiva7,9. O caminho livre médio dos portadores de carga é da ordem de 100 nm à temperatura ambiente e tão grande quanto 400 µm a 4,2 K10,11. Portanto, efeitos de tamanho finito, por exemplo, a dispersão de portadores de carga nos limites de grão ou na superfície em nanofios, descritos por modelos de Mayadas e Shatzkes, bem como Fuchs-Sondheimer e Dingle, já ocorrem em diâmetros de nanofios bastante grandes12,13,14, 15. Como consequência da pequena massa efetiva dos portadores de carga, também o comprimento de onda de Fermi do Bi é bastante grande com ~ 40 nm à temperatura ambiente6. Quando as dimensões geométricas do material são semelhantes, isso pode levar aos chamados efeitos de tamanho quântico, que afetam a densidade eletrônica dos estados e, portanto, as propriedades de transporte eletrônico do material5,6,16. Devido às mudanças na estrutura da banda eletrônica, também uma transição de semimetal para semicondutor é exibida em nanofios Bi em função do diâmetro do nanofio. Dependendo da orientação cristalina, a transição ocorre em diâmetros de ~ 40 a 55 nm de diâmetro a 77 K8,17.

Os efeitos de tamanho quântico previstos atraíram o interesse da comunidade termoelétrica, pois pareciam oferecer uma maneira de aumentar significativamente o coeficiente de Seebeck (S), ou seja, a voltagem gerada por um material se uma diferença de temperatura estiver presente, em nanofios muito finos em comparação com material a granel7,16,18,19. No entanto, os ganhos inicialmente previstos não puderam ser realizados e cálculos mais recentes de Cornett et al. levando em consideração a contribuição de múltiplas subbandas para o transporte, mostrou que ganhos no fator de potência só seriam alcançados para nanofios ainda mais finos com diâmetros de fio menores que 17 nm20. Cálculos de Kim et al. a aplicação do formalismo de Landauer também mostrou que, embora o coeficiente de Seebeck por modo possa ser melhorado por menor dimensionalidade, é necessária uma grande densidade de empacotamento de nanofios com pequenos diâmetros para obter essa vantagem21. No entanto, mesmo que o coeficiente de Seebeck possa aumentar, nesses pequenos tamanhos de fio a condutividade elétrica diminui devido a uma maior sensibilidade aos mecanismos de espalhamento de portadores e geometria, possivelmente impedindo a obtenção de ganhos totais no fator de potência22. Além disso, mesmo os ganhos do coeficiente de Seebeck teoricamente previstos para diâmetros menores que 10 nm podem não ser realizados devido a contribuições significativas dos estados de superfície para o transporte elétrico dentro do Bi. Como a relação superfície-volume para nanofios pode ser extremamente alta, espera-se que os efeitos devido ao transporte de superfície contribuam significativamente para as propriedades gerais de transporte dos nanofios23. São conhecidos estados de superfície semelhantes a metais para planos de índice baixo em Bi, tornando a superfície consideravelmente melhor comportamento metálico do que o bulk9. Até que ponto os estados topológicos da superfície do bismuto podem contribuir ainda está sob investigação2,3,4. Em geral, ambos os tipos de estados de superfície podem se comportar como metal e, assim, evitar um aumento no coeficiente de Seebeck3. Para fornecer mais informações sobre a combinação especial de processos de transporte únicos com contribuições opostas para o coeficiente de Seebeck e resistência elétrica, os nanofios Bi com diâmetro personalizado de tamanho semelhante a alguns nanômetros e cristalinidade controlada apresentam um sistema de modelo exclusivo para estudar a interação e a interação desses diferentes processos dependentes de tamanho.