La ciencia innovadora es a menudo el resultado de una verdadera colaboración, con investigadores en una variedad de campos, puntos de vista y experiencias que se unen de una manera única. Uno de esos esfuerzos de los investigadores de la Universidad de Clemson ha llevado a un descubrimiento que podría cambiar la forma en que avanza la ciencia de la termoeléctrica.

Asistente de investigación graduado Prakash Parajuli; la profesora asistente de investigación Sriparna Bhattacharya; y el director fundador del Clemson Nanomaterials Institute (CNI), Apparao Rao (todos miembros del CNI en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Ciencias) trabajaron con un equipo internacional de científicos para examinar un material termoeléctrico de alta eficiencia de una manera nueva:mediante el uso de luz.

Su investigación ha sido publicada en la revista Ciencia avanzada y se titula "ZT alto y su origen en monocristales GeTe dopados con Sb".

"Los materiales termoeléctricos convierten la energía térmica en energía eléctrica útil; por lo tanto, hay mucho interés en los materiales que pueden convertirlo de manera más eficiente, "Parajuli dijo

Bhattacharya explicó que la clave para medir el progreso en el campo es la figura del mérito, anotado como zT, que depende en gran medida de la propiedad de los materiales termoeléctricos. "Muchos materiales termoeléctricos exhiben un zT de 1-1.5, que también depende de la temperatura del material termoeléctrico. Sólo recientemente se han reportado materiales con una zT de 2 o más ".

"Esto plantea la pregunta, ¿Cuántos materiales más podemos encontrar? ¿y cuál es la ciencia fundamental que es nueva aquí a través de la cual se puede lograr un zT mayor que 2? ", agregó Rao." La investigación básica es la semilla a partir de la cual crece la investigación aplicada, y para mantenernos a la vanguardia en termoeléctrica, nos unimos al equipo del profesor Yang Yuan Chen en la Academia Sinica, Taiwán ".

Los equipos de Chen y Rao se centraron en el germanio telururo (GeTe), un material monocristalino.

"GeTe es de interés, pero GeTe simple sin ningún tipo de dopaje no muestra propiedades interesantes, ", Dijo Bhattacharya." Pero una vez que le agregamos un poco de antimonio, muestra buenas propiedades electrónicas, así como una conductividad térmica muy baja ".

Mientras que otros han informado de materiales basados ​​en GeTe con un alto zT, estos eran materiales policristalinos. Los policristales tienen límites entre los muchos cristales pequeños de los que están formados. Si bien tales límites impiden favorablemente la transferencia de calor, enmascaran el origen de procesos fundamentales que conducen a una zT alta.

"Aquí, teníamos monocristales GeTe puros y dopados cuyas propiedades termoeléctricas no se han informado, "Bhattacharya dijo". Por lo tanto, pudimos evaluar las propiedades intrínsecas de estos materiales que de otro modo serían difíciles de descifrar en presencia de procesos competidores. Este puede ser el primer cristal de GeTe con dopaje de antimonio que mostró estas propiedades únicas, principalmente la conductividad térmica ultrabaja ".

Esta baja conductividad térmica fue una sorpresa, ya que la estructura cristalina simple del material debe permitir que el calor fluya fácilmente por todo el cristal.

"Los electrones transportan el calor y la electricidad, así que si bloqueas los electrones, no tienes electricidad, "Dijo Parajuli". la clave es bloquear el flujo de calor mediante las vibraciones de celosía cuantificadas conocidas como fonones, mientras permite que fluyan los electrones ".

Dopar GeTe con la cantidad correcta de antimonio puede maximizar el flujo de electrones y minimizar el flujo de calor. Este estudio encontró que la presencia de 8 átomos de antimonio por cada 100 GeTe da lugar a un nuevo conjunto de fonones, que reducen efectivamente el flujo de calor que se confirmó tanto experimental como teóricamente.

El equipo, junto con colaboradores que cultivaron los cristales, realizó mediciones de transporte electrónico y térmico además de los cálculos de la teoría funcional de densidad para encontrar este mecanismo de dos maneras:primero, a través del modelado, utilizando los datos de conductividad térmica; segundo, a través de espectroscopía Raman, que sondea los fonones dentro de un material.

"Este es un ángulo totalmente nuevo para la investigación termoeléctrica, ", Dijo Rao." Somos una especie de pioneros en esa forma:decodificando la conductividad térmica en termoeléctricas con luz. Lo que encontramos usando luz concuerda bien con lo que se encontró a través de mediciones de transporte térmico. La investigación futura en termoeléctrica debería utilizar la luz:es un método no destructivo muy poderoso para dilucidar el transporte de calor en termoeléctricas. Haces brillar la luz sobre la muestra, y recopilar información. No está destruyendo la muestra ".

Rao dijo que la amplia gama de experiencia de los colaboradores fue clave para su éxito. El grupo incluía a Fengjiao Liu, un ex Ph.D. estudiante en CNI; Rahul Rao, Investigador científico físico en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson; y Oliver Rancu, estudiante de secundaria de la Escuela de Ciencias y Matemáticas del Gobernador de Carolina del Sur que trabajó con el equipo a través del programa SPRI (Programa de verano para pasantes de investigación) de Clemson. Debido a la pandemia, el equipo trabajó con Rancu a través de Zoom, guiándolo con algunos de los cálculos de Parajuli usando un código de Matlab alternativo.

"Estoy muy agradecido por la oportunidad de trabajar con los miembros del equipo de CNI este verano, "dijo Rancu, quien es oriundo de Anderson, Carolina del Sur. "He aprendido muchas cosas tanto sobre la física como sobre la experiencia de investigación en general. Realmente no tiene precio, y esta publicación de investigación es solo otra adición a una experiencia ya fantástica ".

"Me impresionó mucho Oliver, ", Agregó Parajuli." Se dio cuenta rápidamente del marco necesario para la teoría ".