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서로 다른 온도로 유지되는 두 전선의 접합부에 전압 차가 생성된다. 열전 효과라고 하는 이 현상은 열전기 발전기, 열전기 냉각기 및 온도 측정과 같은 다양한 응용 분야에서 널리 연구되어 사용되고 있다. 접합 접점의 횡단면이 몇 개의 원자로 줄어들면, 양자-기계적 효과, 특히 전자 간의 양자 간섭이 접합부를 가로 지르는 전자의 전달에 영향을 미친다. 이러한 간섭은 컨덕턴스 및 열전기 전압과 같은 전기적 특성을 결정하는 원자 스케일 접촉 및 주변 물질의 미세 결함을 포함한 구조에 크게 좌우된다. 지금까지 원자 규모의 금속 접촉에서의 양자 간섭 효과는 원자 구조를 정확하게 제어하기가 어려웠으므로 많은 응용 분야를 찾지 못했다. 연구팀은 원자 규모의 금 접점을 가로지르는 열전기 전압의 크기와 부호가 접촉을 미세하고 정확하게 변형시키는 기계적 변형을 적용하여 제어할 수 있다는 것을 실험적으로 입증했다. 이때 주위 물질 구조는 영향을 받지 않는다 (Scientific Reports, 'Controlling the thermoelectric effect by mechanical manipulation of the electron rsquo;s quantum phase in atomic junctions'). 미세 변형은 압전 트랜스듀서 (transducer)를 사용하고 원자가 충분한 진동 에너지를 얻지 못하여 저온 환경을 유지하여 강하게 진동하고 구조의 무작위 변형을 유발하여 접합부의 기판을 구부리는 방식으로 수행되었다. 접촉이 길어짐에 따라 컨덕턴스는 단계적으로 감소하고 열전 전압은 부호의 변화에 따라 급격히 변했다. 특히, 이러한 변화는 완전히 가역적이었다. 접점이 초기 구조로 다시 압축되었을 때 전기적 특성이 초기 값으로 복원되었다. 열전 전압의 부호의 변화에 따라 전도성에서 계단식 변화를 야기하는 적절한 신장 범위가 전압 스위치, 즉 신장되거나 압축될 때 전압을 스위칭하는 장치를 생성하는데 사용되었다. 원자 규모 금속 접점을 가로 지르는 열전 전압의 이러한 변화는 이전에 관찰되었지만, 이것이 표지 변경이 예측 가능하고 가역적으로 제어될 수 있는 첫 번째 사례이다. 연구팀이 개발한 전압 스위치는 연신율과 압축율이 적어도 20 사이클 이상 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다. 또한 과학자들은 이론적으로 스위칭이 접촉 구조의 기계적 변형으로 인한 전자의 양자-간섭 상태의 변화에 의해 일어난다는 것을 증명했다. 과학자들이 밀도 함수 이론을 사용하여 만든 접합점의 이론적 인 모델은 다양한 변형으로 전기적 특성의 변화를 정확하게 예측했다. 이것은 외부 기계적 힘을 통한 금속 나노 구조에서 전자의 양자 간섭을 성공적으로 조작한 최초의 보고서이다. 이 연구의 결과는 열 전력 생성, 재료 과학 측정 기술 및 고체 전자 장치에서 잠재적인 응용 분야를 가질 수 있다. |
