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: 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.

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.