Znanstvene vijesti — 20.10.2019.

Podešavanje toplinske vodljivosti u TiO2 anatazi

Kolega Osor Slaven Barišić, zajedno s grupom znanstvenika s Fizičkog odsjeka PMF-a i École Polytechnique Fédérale de Lausanne u Švicarskoj objavili su rad u prestižnom časopisu Communications Physics. Autori su proučavali toplinsku vodljivost te su objasnili njenu jaku redukciju u  monokristalima rezonantnim raspršenjem fonona na polaronskim nečistoćama. Također, istražili su utjecaj strukturiranja materijala na nanoskalama na svojstva transporta.

Tailoring thermal conduction in anatase TiO2

Xavier Mettan, Jacim Jaćimović, Osor Slaven Barišić, Andrea Pisoni, Ivo Batistić, Endre Horváth, Samuel Brown, Lidia Rossi, Péter Szirmai, Borbála Farkas, Helmuth Berger, and László Forró, Communications Physics 2 , 123 (2019).

DOI: https://doi.org/10.1038/s42005-019-0224-7

Toplinska vodljivost (κ) ima presudnu ulogu u razvoju funkcionalnih naprava. U tom kontekstu, jedan od najvećih izazova u primjeni materijala je postizanje visoke vrijednosti faktora izvrsnosti, koji vrednuje kvaliteta termoelektrika. Ovaj faktor dan je omjerom S2σ/κ, tako da uobičajena strategija njegovog povećanja kreće od materijala s visokim Seebeckovim koeficijentom (S), u kojima se onda s dopiranjem povećava električna vodljivost (σ), dok se toplinska vodljivost (κ) smanjuje uvođenjem dodatne strukture u materijal. Obično sustavi s visokim faktorom izvrsnosti imaju složenu jediničnu ćeliju, tako da je pronalaženje najbolje stehiometrije složen zadatak.

U radu koji je upravo objavljen ističu se dva glavna doprinosa. Prvi je to što je u vrlo jednostavnom materijalu, anatazi TiO2, identificirano novo rezonantno raspršenje fonona na polaronskim nečistoćama, povezanim s vakancijama kisika. Time je objašnjena jaka redukcija toplinske vodljivosti, eksperimentalno opažena već pri malim koncentracijama nečistoća. Transportna mjerenja izvedena su na milimetarski velikim monokristalima anataze, koji su sintetizirani u grupi na EPFL-u. Originalno teorijsko objašnjenje eksperimentalne situacije s toplinskom vodljivošću preko polaronskih učinaka dobiva dodatno na značaju činjenicom da su ti učinci prisutni u mnogim drugim funkcionalnim oksidima poput SrTiO3, ZnO, CaMnO3, itd. Polaronski mehanizam fononskog raspršenja, osim što značajno smanjuje toplinsku vodljivost, prati kroz dopiranje preko vakancija kisika i povećanje električne vodljivost σ, što je važno za već spomenuti faktor izvrsnosti. Drugi važan doprinos rada je smanjenje κ kroz strukturiranje materijala u obliku pjene anataze TiO2. Ova pjena, čija je poroznost 95%, se na nanoskali sastoji od snopova nanocjevčica te je razvijena tehnika kojom je proizvodnja ovakve pjene moguća u velikim (komercijalnim) količinama. Sa strane toplinskog transporta, ovako strukturirana pjenasta anataza pokazuje izuzetne izolatorske sposobnosti po pitanju provođenja topline, uz izmjeren κ na sobnoj temperaturi od samo 0.014 W/Km. To je objašnjeno dodatnim centrima raspršenja za fonone, koji su posljedica strukturiranja materijala i za transport topline efektivne reducirane dimenzionalnosti pojedinih nanožica koje čine pjenu.

Anataze u obliku monokristala, pjene i nanočestica. a Milimetarski veliki monokristali (MK) anataze TiO2. S lijeva na desno, izolatorska (prozirni MK) i izolatorska anataza bogatija kisikom (smeđi MK), te vodikom tretirana vodljiva anataza (crni MK). b Fotografija narasle TiO2 pjene; posuda (dolje desno) sadrži TiO2 prah korišten za sintezu nanožica i nanočestica. c–e Redom, slike nestlačene pjene, stlačene pjene (100 MPa) i TiO2 nanočestica dobivene uz pomoć skenirajućeg elektronskog mikroskopa. Prikazana skala odgovara 1 mm u a, 20 mm u b te 1 μm u c–e

Anataza u obliku monokristala, pjene i nanočestica. a Milimetarski veliki monokristali (MK) anataze TiO2. S lijeva na desno, izolatorska (prozirni MK) i izolatorska anataza bogatija kisikovim vakancijama (smeđi MK), te vodikom tretirana vodljiva anataza (crni MK). b Fotografija TiO2 pjene; posuda (dolje desno) sadrži TiO2 prah korišten za sintezu nanožica i nanočestica. ce Redom, slike dobivene uz pomoć skenirajućeg elektronskog mikroskopa nestlačene pjene, stlačene pjene (100 MPa) i TiO2 nanočestica. Prikazana skala na slikama odgovara 1 mm za a, 20 mm za b te 1 μm za ce

Općenito, anataza TiO2 kao materijal ima za primjenu mnoga zanimljiva svojstva, vrlo različitu funkcionalnost ovisno o pripremi, uz kemijsku jednostavnost i veliku raširenost u prirodi. Predložena je njena primjena u razlaganju vode na vodik i kisik, fotonaponskim tehnologijama, antibakterijskim premazima, sve do tzv. memistor nanosklopova, iz kojih je moguće odrediti na njih prije primijenjeni napon. Dok su strukturne i optoelektroničke karakteristike anataze temeljito proučene, puno se manje do sada znalo o njezinim toplinskim svojstvima. Objavljeni članak popunjava ovaj jaz, donoseći nove rezultate, koji uključuju osim sobnih i vrlo niske temperature, za monokristalne sustave anataze s raznim dopiranjima, sustave pjene s nanožicama i sustave s nanočesticama.

IF Ⓒ 2017