Los materiales termoeléctricos permitirán la conversión eficiente del calor residual industrial en electricidad. Pero para crear materiales termoeléctricos eficaces, su física subyacente debe entenderse bien. Crédito:Macrovector en Freepik
Materiales termoeléctricos, que puede generar una tensión eléctrica en presencia de una diferencia de temperatura, son actualmente un área de intensa investigación; La tecnología de recolección de energía termoeléctrica se encuentra entre nuestras mejores oportunidades para reducir en gran medida el uso de combustibles fósiles y ayudar a prevenir una crisis energética mundial. Sin embargo, hay varios tipos de mecanismos termoeléctricos, algunos de los cuales se entienden menos a pesar de los esfuerzos recientes. Un estudio reciente de científicos de Corea tiene como objetivo llenar uno de esos vacíos en el conocimiento.
Uno de estos mecanismos mencionados anteriormente es el efecto spin Seebeck (SSE), que fue descubierto en 2008 por un equipo de investigación dirigido por el profesor Eiji Saitoh de la Universidad de Tokio, Japón. El SSE es un fenómeno en el que una diferencia de temperatura entre un material no magnético y uno ferromagnético crea un flujo de espines. Para fines de recolección de energía termoeléctrica, la SSE inversa es especialmente importante. En ciertas heteroestructuras, como el granate de itrio-hierro — platino (YIG / Pt), el flujo de espín generado por una diferencia de temperatura se transforma en una corriente con carga eléctrica, ofreciendo una forma de generar electricidad a partir del SSE inverso.
Debido a que esta conversión de giro a carga es relativamente ineficaz en la mayoría de los materiales conocidos, Los investigadores han intentado insertar una capa atómicamente delgada de disulfuro de molibdeno (MoS 2 ) entre las capas YIG y Pt. Aunque este enfoque ha dado como resultado una conversión mejorada, los mecanismos subyacentes detrás del papel del 2-D MoS 2 La capa en el transporte de espín sigue siendo esquiva.
Para abordar esta brecha de conocimiento, El profesor Sang-Kwon Lee del Departamento de Física de la Universidad de Chung-Ang, Corea, ha dirigido recientemente un estudio en profundidad sobre el tema, que ha sido publicado en Nano letras . Participaron varios colegas de la Universidad de Chung-Ang, así como el profesor Saitoh, en un esfuerzo por comprender el efecto de 2-D MoS 2 sobre la energía termoeléctrica de YIG / Pt.
Para tal fin, los científicos prepararon dos YIG / MoS 2 / Muestras de Pt con diferentes morfologías en el MoS 2 capa, así como una muestra de referencia sin MoS 2 en total. Prepararon una plataforma de medición en la que se puede aplicar un gradiente de temperatura, un campo magnético aplicado, y la diferencia de voltaje causada por el flujo de giro resultante monitoreado. Curiosamente, encontraron que la SSE inversa, y a su vez el comportamiento termoeléctrico de toda la heteroestructura, se puede mejorar o disminuir según el tamaño y el tipo de MoS 2 usó. En particular, usando un MoS agujereado 2 La multicapa entre las capas YIG y Pt produjo un aumento del 60% en la potencia termoeléctrica en comparación con YIG / Pt solo.
Mediante cuidadosos análisis teóricos y experimentales, Los científicos determinaron que este marcado aumento fue causado por la promoción de dos fenómenos cuánticos independientes que, juntos, tener en cuenta la SSE inversa total. Estos se denominan efecto Hall de giro inverso, y el efecto inverso Rashba-Edelstein, que ambos producen una acumulación de espín que luego se convierte en una corriente de carga. Es más, Investigaron cómo los agujeros y defectos en el MoS 2 capa alteró las propiedades magnéticas de la heteroestructura, conduciendo a una mejora favorable del efecto termoeléctrico. Emocionado por los resultados, Lee comenta:"Nuestro estudio es el primero en demostrar que las propiedades magnéticas de la capa interfacial causan fluctuaciones de espín en la interfaz y, en última instancia, aumentan la acumulación de espines. lo que lleva a un voltaje y una termopotencia más altos del SSE inverso ".
Los resultados de este trabajo representan una pieza crucial en el rompecabezas de la tecnología de materiales termoeléctricos y pronto podrían tener implicaciones en el mundo real. como explica Lee:"Nuestros hallazgos revelan oportunidades importantes para recolectores de energía termoeléctrica de gran superficie con capas intermedias en el sistema YIG / Pt. También proporcionan información esencial para comprender la física del efecto combinado Rashba-Edelstein y SSE en el transporte de espín". Agrega que su plataforma de medición SSE podría ser de gran ayuda para investigar otros tipos de fenómenos de transporte cuántico, como los efectos Hall y Nernst impulsados por el valle.
¡Esperemos que la tecnología termoeléctrica progrese rápidamente para que podamos hacer realidad nuestros sueños de una sociedad más ecológica!
