Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Thomas Johann Seebeck, obserwując zjawisko powstawania pola magnetycznego w przewodach z różnych metali połączonych ze sobą, gdy jeden z ich złączeń jest podgrzewany, odkrył podstawę termoelektryczności. Późniejsze badania wykazały, że pole magnetyczne jest skutkiem przepływu prądu elektrycznego wywołanego różnicą temperatur – zjawisko to nazwano efektem Seebecka. Innym aspektem konwersji energii elektrycznej w gradient temperatury jest efekt Peltiera, opisany przez Jeana Charlesa Athénase'a Peltiera, który zauważył, że przepływ prądu przez połączenia dwóch metali wywołuje ogrzewanie lub chłodzenie, inne niż wynikające jedynie z oporu elektrycznego materiałów.
Obecnie, choć pierwotne badania dotyczyły układów złożonych z dwóch metali, nowoczesne urządzenia termoelektryczne składają się z szeregu naprzemiennie połączonych półprzewodników typu p i n, połączonych metalicznymi kontaktami i umieszczonych pomiędzy dwoma ciałami stałymi, takimi jak ceramika. Dzięki temu można generować prąd stały (DC) lub wymuszać przepływ ciepła pomiędzy dwoma powierzchniami. W urządzeniu Peltiera, gdy prąd elektryczny przepływa przez kontakty, ciepło jest przenoszone z jednej strony do drugiej, co prowadzi do efektywnego chłodzenia lub ogrzewania.
Elektrony w półprzewodniku typu n oraz "dziury" w półprzewodniku typu p przemieszczają się od zimniejszej strony do cieplejszej, powodując transfer energii cieplnej. Jednak oprócz ruchu nośników ładunku, ciepło jest także przenoszone przez drgania sieci krystalicznej – fonony. Aby urządzenie było efektywne, konieczne jest, aby półprzewodnik cechował się niską przewodnością cieplną związaną z fononami (ograniczającą niekontrolowany przepływ ciepła), przy jednoczesnej wysokiej przewodności elektrycznej wynikającej z ruchu elektronów. Wydajność takich materiałów ocenia się za pomocą wskaźnika jakości zT, gdzie zT = S²σT/κ. Tu S oznacza współczynnik Seebecka – napięcie powstające na skutek różnicy temperatur, σ to przewodność elektryczna, a κ przewodność cieplna zdominowana przez fonony.
Najczęściej stosowanym półprzewodnikiem termoelektrycznym jest telurek bizmutu (Bi₂Te₃), ze względu na stosunkowo wysoki wskaźnik zT. Jednak ograniczona dostępność telluru sprawia, że prowadzone są intensywne badania nad alternatywami, w tym polimerami organicznymi przewodzącymi.
Zrozumienie mechanizmów przewodności cieplnej i elektrycznej w tych materiałach wymaga uwzględnienia złożonych oddziaływań pomiędzy nośnikami ładunku a fononami. Ruch elektronów i dziur zwiększa przewodność cieplną, natomiast drgania sieci mogą ją zarówno wzmacniać, jak i ograniczać poprzez rozpraszanie fononów. Wysoka efektywność termoelektryczna wymaga zatem znalezienia kompromisu między tymi zjawiskami.
Warto mieć na uwadze, że efekty termoelektryczne otwierają szerokie możliwości w zakresie odzyskiwania energii i precyzyjnego sterowania temperaturą bez ruchomych części. Ich zastosowania obejmują m.in. generatory prądu z odpadkowego ciepła w przemyśle, chłodzenie elektroniczne czy technologie kosmiczne. Pomimo wielu osiągnięć, obecne wyzwania technologiczne dotyczą dalszej optymalizacji materiałów oraz poszukiwania surowców bardziej dostępnych i przyjaznych środowisku.
Znajomość fundamentalnych właściwości półprzewodników termoelektrycznych, takich jak udział elektronów i fononów w przewodzeniu ciepła, jest kluczowa dla projektowania nowych, bardziej wydajnych urządzeń. Zrozumienie roli współczynnika Seebecka, przewodności elektrycznej i termicznej pozwala na świadome dobieranie materiałów i konfiguracji układów termoelektrycznych, co jest istotne zwłaszcza w kontekście globalnych potrzeb efektywnego zarządzania energią i ochrony środowiska.
Jak napięcie przyspieszające i inne parametry wpływają na jakość obrazów w mikroskopii elektronowej?
Podnoszenie napięcia przyspieszającego wiąże się z pewnymi istotnymi ograniczeniami, które mają bezpośredni wpływ na jakość obrazów uzyskiwanych w mikroskopii elektronowej. Wzrost napięcia zwiększa objętość oddziaływania wiązki elektronów z próbką, co oznacza, że elektrony penetrują głębiej w materiał. W konsekwencji większa liczba elektronów odbitych może dotrzeć do detektora sekundarnych elektronów (SE), jednakże powoduje to obniżenie rozdzielczości uzyskanego obrazu. Jednocześnie rośnie ryzyko naładowania powierzchni próbki, co objawia się artefaktami w obrazie, a także możliwe jest lokalne nagrzewanie próbki, które może prowadzić do jej uszkodzeń.
Kolejnym kluczowym parametrem jest rozmiar plamki, czyli średnica stożka wiązki na powierzchni próbki. Większa plamka niesie ze sobą większą liczbę elektronów, co z kolei skutkuje jaśniejszym obrazem, ale równocześnie obniża jego rozdzielczość. Zatem wybór odpowiedniego rozmiaru plamki jest kompromisem między jasnością a szczegółowością obrazu.
Odległość robocza (working distance, WD) między powierzchnią próbki a końcem kolumny mikroskopu również wpływa na obrazowanie. Dla wysokorozdzielczych obrazów zaleca się utrzymywanie WD na poziomie około 10 mm lub mniejszym. Jednak zwiększenie WD powoduje wzrost głębi ostrości, dzięki czemu większa część próbki pozostaje ostra, co jest przewagą mikroskopii elektronowej nad optyczną.
W mikroskopii transmisyjnej (TEM) stosuje się elektrony o znacznie wyższej energii, które przechodzą przez próbkę, co pozwala osiągnąć rozdzielczość nawet poniżej 0,1 nm i daje dostęp do informacji o mikrostrukturze, takich jak granice ziaren czy defekty w materiale. Przyspieszające napięcie wpływa na długość fali elektronów zgodnie z zasadą de Broglie’a — im wyższe napięcie, tym krótsza fala, co bezpośrednio przekłada się na wyższą rozdzielczość obrazu zgodnie z równaniem Abbe’a. Jednak próbka musi być bardzo cienka, często nie przekraczająca kilkuset nanometrów, by elektrony mogły przez nią przejść. Przygotowanie próbek do TEM jest niezwykle istotne; złe przygotowanie prowadzi do powstawania artefaktów i pogorszenia jakości obrazów.
Kolumna TEM jest znacznie bardziej złożona niż SEM i składa się z dwóch głównych sekcji. W pierwszej zachodzi rozpraszanie wiązki przez próbkę i tworzenie obrazu pierwotnego przez soczewkę obiektywu. Druga sekcja odpowiedzialna jest za powiększenie tego obrazu do poziomu, który jest widoczny na ekranie fosforowym. Obecnie wiele nowoczesnych TEM-ów korzysta z cyfrowych detektorów, co pozwala na precyzyjne rejestrowanie obrazów wysokiej rozdzielczości.
Obrazy o wysokiej rozdzielczości w TEM można uzyskać metodami jasnego i ciemnego pola. Obraz jasnego pola, najczęściej stosowany, powstaje przez selekcję nie rozproszonych elektronów, które tworzą obraz 2D próbki z obszarami pochłaniającymi lub rozpraszającymi wiązkę widocznymi jako ciemniejsze. Natomiast obraz ciemnego pola powstaje z rozproszonych elektronów, co umożliwia badanie defektów i niejednorodności strukturalnych w materiale, co jest szeroko wykorzystywane w skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM).
Poza samym obrazowaniem, w SEM możliwa jest także analiza elementarna metodą dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDX), która dostarcza informacji o składzie chemicznym próbki, co znacznie rozszerza spektrum zastosowań mikroskopii elektronowej.
Ważne jest zrozumienie, że uzyskanie optymalnych obrazów wymaga świadomego doboru parametrów instrumentu i odpowiedniego przygotowania próbki. Negatywne efekty, takie jak naładowanie próbki, nagrzewanie, czy artefakty spowodowane niedoskonałym przygotowaniem, mogą nie tylko obniżyć jakość obrazów, ale wręcz zafałszować wyniki badań. W mikroskopii elektronowej wszystkie elementy — od napięcia przyspieszającego, przez rozmiar plamki, po warunki próżniowe — są ze sobą ściśle powiązane i wpływają na ostateczną jakość uzyskanego obrazu oraz interpretację badanej struktury.