Ultra-Efficient Energy Harvesting with Antiferromagnetic Thermoelectrics

Konvensjonelle termoelektriske enheter består av halvledende materialer som direkte konverterer termisk energi til elektrisitet eller, motsatt, elektrisitet til varmestrøm. Disse to gjensidige fenomenene er kjent som henholdsvis Seebeck-effekten og Peltier-effekten, oppdaget tidlig på 1800-tallet av Thomas J. Seebeck og Jean Peltier. I dag brukes den termoelektriske effekten i ulike applikasjoner, som for eksempel kjøleskap, varmemotorer og varmestrømsensorer. En spesielt spennende nylig utvikling er bruken av Seebeck-effekten i energihøstings-teknologier. Disse teknologiene opererer ved å koble flere termoelementer i serie for å generere en anvendbar termoelektrisk utgangsspenning. Den resulterende termoelektriske modulen er en tynn film som kan limes til varme overflater for å fange opp overskuddsvarme og konvertere denne til elektrisitet. Elektroner har tre grunnleggende egenskaper: masse, ladning og spinn. I tradisjonell elektronikk er det elektronenes ladning som driver funksjonaliteten til enheter, inkludert konvensjonelle termoelektriske systemer. Dette prosjektet tar sikte på å utforske en ny type termoelektrisk effekt som inkorporerer elektronenes spinn-egenskap. Denne effekten oppstår i magnetiske materialer i kontakt med tunge metaller, der termisk eksiterte spinnbølger i det magnetiske laget genererer spinnstrømmer i tung metallet. Dette fenomenet er vanligvis kjent som spin-Seebeck-effekten (SSE). Spinnstrømmene omdannes videre til elektrisitet gjennom en mekanisme kjent som den inverse spin-Hall-effekten. Vårt prosjekt vil undersøke denne spinnbaserte termoelektriske effekten i antiferromagnetiske materialer. Ved å utvikle nye teoretiske modeller, som vil bli eksperimentelt testet og verifisert, tar vi sikte på å vurdere effektiviteten av denne effekten og undersøke hvordan den kan forbedre varme-til-elektrisitet-konverteringseffektiviteten i fremtidige termoelektriske generatorer. Så langt i prosjektet har vi utforsket hvordan spinn-bane-kobling i antiferromagnetiske materialer, i kontakt med metaller, introduserer en ny koblingsmekanisme mellom elektriske strømmer og antiferromagnetiske spinnbølger, som kan utnyttes til å generere vekselstrømmer i terahertz (THz)-frekvensområdet. En betydelig teknologisk utfordring innen elektronikk har vært den begrensede tilgjengeligheten av elektroniske enheter som opererer i THz-området, ofte referert til som THz-teknologigapet. Våre funn indikerer at antiferromagnet/metal (AFM/N) heterostrukturer er lovende materialsystemer som potensielt kan løse dette problemet. I tillegg har vi undersøkt hvordan topologiske magnoner forsterker SSE i antiferromagnet/tungmetall (AFM/HM) heterostrukturer. Topologiske magnoner oppstår i spesifikke klasser av magnetiske materialer, og manifesterer seg som koherente, propagerende spinnbølger langs overflaten av antiferromagneten. Siden disse spinnbølgene er lokalisert ved overflaten, forventes de å vekselvirke sterkt med ladningsbærerne i metallet som magneten er i kontakt med. Denne sterke koblingen kan betydelig forsterke grenseflatefenomener som SSE. Våre resultater så langt viser at topologiske magnoner forbedrer SSE med over 50 %.

The need for smaller, faster, and more efficient devices has put a considerable demand on the thermal management of electronics. In this context, energy-harvesting technology is exciting. The energy-harvesting technology captures the waste heat produced by the electronics and converts it into electricity. Therefore, the technology is expected to be a powerful approach to produce renewable and clean energy and improve the sustainability of electronic infrastructure. Potential applications range from self-powered wireless sensor networks to mobile phones and computers that recycle their own waste heat to improve their overall energy efficiency. The ultimate goal of this project is to take thermoelectric technology to a new level by exploiting the unique spin-based thermoelectric properties of antiferromagnets (AFs). The antiferromagnetic thermoelectric generators are nano-thin heterostructures comprised of layers of AFs and heavy metals (HMs), making them easy to fabricate and attach to various types of surfaces compared to conventional thermoelectric converters based on thermocouples. Potentially, the antiferromagnetic devices can have a figure of merit that is an order of magnitude larger than today's cutting-edge thermoelectric technology, which will make antiferromagnetic thermoelectrics commercially competitive. The project aims to develop a unified theoretical and experimental description of the proposed antiferromagnetic thermoelectric generators and investigate the optimization of the devices. The anticipated application potential of our findings is in developing novel spin-based thermoelectric generators with ultra-high heat-to-electricity conversion efficiencies, which are easily integrable in CMOS devices and wireless sensor networks.