Hocheffiziente thermoelektrische Geräte dank Spintronik
EU-finanzierte Forscher entwickelten und experimentierten erfolgreich mit neuen Materialien und Geräten, die auf eine hochmoderne Umwandlungstechnik zurückgreifen, um die als Abwärme zurückgelassene Energie effizienter einzufangen und in elektrischen Strom zu verwandeln. Ein thermoelektrisches Verfahren, mit dem Abwärme von verschmutzenden Kraftwerken wieder in Strom umgewandelt wird, könnte potenziell Energie sparen und schädliche Emissionen verringern. Herkömmliche Geräte, die den Seebeck-Effekt nutzen, haben die Vorteile von geringen Kosten und einer langen Haltbarkeit, deren Energieumwandlungseffizienz ist in den meisten Fällen allerdings unzureichend. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts THERMO-SPINTRONIC (High performance energy conversion by the interplay between thermoelectricity and spin Seebeck effect) arbeiteten Forscher über die Gestaltung neuer thermoelektrischer Geräte, die den traditionellen Seebeck-Effekt und den Spin-Seebeck-Effekt nutzen, an der Überwindung dieses Hindernisses. Spin-Seebeck-Geräte wandeln Wärme in Elektronenspin-Energie um. Wenn an die Grenzfläche eines elektrischen Leiters und eines Magneten ein Temperaturgradient angelegt wird, wird über Wärme Spin-Spannung erzeugt und es wird Spin-Strom in den Leiter injiziert. Abgesehen von Metallen wurde der Spin-Seebeck-Effekt ebenfalls an Halbleiter und sogar an Isolatoren demonstriert. Der Spin-Seebeck-Effekt gibt dem Feld der Spintronik neue Impulse, da eine vielseitige Erzeugung von Spin-Strom über Wärme ermöglicht wird. Forscher untersuchten zunächst Metall-Oxid-Materialien, die aus bekannten leitfähigen Oxiden wie Magnetit bestehen, um neue Einblicke in die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Seebeck-Effekten zu erlangen. Optimierte Heterostrukturen, die über mehrere Doppelschichten mit einer ferromagnetischen Schicht und einer nicht magnetischen Schicht gebildet worden waren, zeigten, dass sie die Spin-Spannung und somit die Spin-zu-Ladung-Umwandlung erfolgreich maximieren. Dank THERMO-SPINTRONIC hat das Gebiet der Thermoelektrizität aufgrund von Einblicken in fundamentale Prozesse des Spin-Seebeck-Effekts und der Herstellung neuer Geräte, die weitaus höhere Wärme-zu-Elektrizität-Umwandlungseffizienzen aufweisen, möglicherweise einen bedeutenden Schritt nach vorne gemacht.
Schlüsselbegriffe
Thermoelektrisch, Spintronik, Abwärme, THERMO-SPINTRONIC, Spin-Seebeck-Effekt
