Термоэлектрический эффект в графене представляет собой преобразование потока тепла (градиента температуры) в электричество (ток в замкнутой цепи или напряжение при разомкнутой электрической цепи) в графене. В этом случае говорят о генерации энергии (эффект Зеебека) или термогенерации, но существует и обратный эффект (эффект Пельтье), когда ток вызывает охлаждение материала и говорят о термоохлаждении. Впервые эффект Зеебека наблюдался в работах.

Общие положения

Теоретически как и всякий тепловая машина её эффективность ограничиваться эффективностью цикла Карно, но на практике потери приводят к выражению

где и  — холодная и горячая температуры создающие градиент,  — безразмерный параметр характеризующий преобразование тепла в электричество для конкретного материала. Этот параметр представляется в виде

где  — проводимость графена,  — концентрация носителей тока (электронов или дырок),  — элементарный заряд,  — подвижность носителей тока,  — коэффициент Зеебека,  — температура,  — теплопроводность графена. Для графена теплопроводность складывается из двух вкладов: электронной () и фононной частей (). Для повышения эффективности преобразования тепла в электричество в графене нужно увеличить коэффициент Зеебека, проводимость, температуру, но уменьшать теплопроводность. Но эти величины оказываются связаны некоторыми соотношениями, например согласно закону Видемана — Франца проводимость пропорциональна и электронной теплопроводности, а формула Мотта гласит, что при увеличении проводимости уменьшается коэффициент Зеебека. Так как графен амбиполярный материал, то одновременное присутствие уменьшению и дырок приводит к уменьшению коэффициента Зеебека, поэтому для эффективной работы теплопреобразователей нужно иметь конечную концентрацию носителей тока и, задача сводится к попыткам увеличить произведение двух параметров , поскольку уменьшение теплопроводимости обычно достигается внесением дефектов, что в свою очередь уменьшает проводимость.

Коэффициент Зеебека Формула Мотта для коэффициента Зеебека в графене (вырожденный газ) равна , где  — энергия,  — энергия Ферми,  — постоянная Больцмана,  — функция Ферми — Дирака. Здесь важно заметить, что увеличения коэффициента Зеебека можно добиться увеличением плотности состояний, как например в системах меньшей размерности: графеновых нанолентах или квантовых точек из графена.

Теплопроводность Теплопроводность графена имеет два вклада: электронный

где  — число Лоренца, и фононный

где  — удельная теплоёмкость,  — скорость звука,  — длина свободного пробега фононов. Из-за рекордной теплопроводности в графене главный параметр отвечающий за эффективность преобразования тепла в электричество zT оказывается очень мал (~0.01), поэтому много исследований направлено на попытки уменьшить теплопроводность графена. Например этого можно добиться используя изотоп углерода, созданием различных дефектов.

Теория термоэлектрического эффекта в графене Плотность тока носителей заряда и плотность потока тепла связаны с электрическим полем (которое также имеет смысл градиента потенциала с отрицательным знаком ) и градиентом температуры в линейном приближении

где интеграл в приближении времени релаксации запишется в виде ( — химический потенциал):

Здесь проводимость запишется через время релаксации , которое зависит от энергии:

Коэффициент Зеебека определяется при отсутствии тока как отношение матричных коэффициентов и, при условии вырождения (энергия Ферми много больше температуры), превращается в приведённую выше формулу Мотта. Знание зависимости времени релаксации от энергии позволяет использовать формулу Мотта для определения доминирующего механизма рассеяния в графене, например различить рассеяние на фононах и на ионизированных примесях. Экспериментальные результаты полученные при низких температурах согласуются с предположением о вкладе экранированных примесей в графене в рассеяние носителей тока, причём неэкранированные примеси приводят к линейной зависимости коэффициента Зеебека от температуры

а экранированный потенциал — к квадратичной зависимости. Вклад нейтральных рассеивателей и фононов сильно (экспоненциально) подавлен при низких температурах и высоких концентрациях носителей тока. Вклад других рассеивателей, которые дают линейную зависимость проводимости от концентрации, такие как резонансные рассеиватели и состояния в центре зоны, приводят к другой функциональной температурной зависимости.

Примечания

Литература

Категория:Графен