La tecnología de materiales termoeléctricos puede convertir entre calor y electricidad dentro de una construcción de materiales, pero muchos materiales existentes contienen elementos raros o tóxicos. En un nuevo estudio sobre Ciencias , Wenke He y sus colegas informaron de la interacción dependiente de la temperatura entre tres bandas electrónicas separadas en cristales de sulfuro de estaño (SnS) dopados con agujeros. El comportamiento de los materiales permitió una optimización sinérgica entre la masa efectiva (m ^* ) y movilidad del portador (µ), que el equipo de investigación impulsó con la introducción de selenio (Se).

Al alear Se, mejoraron el factor de potencia de los materiales de aproximadamente 30 a 53 microvatios por centímetro por Kelvin cuadrado (µWcm ⁻¹ K ⁻² a 300 K) y bajó la conductividad térmica. El equipo de investigación obtuvo una figura máxima de mérito ZT (ZT _max ) aproximándose 1.6 a 873 K y un ZT promedio (ZT _Cra ; figura adimensional de mérito) que se aproxima a 1,25 entre 300 K y 837 K dentro de SnS _0,91 Se _0,09 cristales. Los investigadores introdujeron una estrategia para la manipulación de bonos, que ofrecía una ruta diferente para optimizar el rendimiento termoeléctrico. Los cristales de SnS de alto rendimiento utilizados en el trabajo representaron un paso importante hacia el desarrollo de bajo costo, Termoeléctricos abundantes y ambientalmente favorables de la tierra.

La tecnología termoeléctrica permite la conversión invertible entre energía térmica y electricidad para proporcionar una ruta ecológica para la generación de energía. El proceso puede ocurrir recolectando calor residual o por enfriamiento de estado sólido. Los científicos y físicos de materiales han determinado la eficiencia de conversión de la tecnología termoeléctrica utilizando la figura adimensional de mérito (ZT) para un material termoeléctrico dado. Los parámetros que determinan la eficiencia de conversión de la tecnología termoeléctrica están entrelazados, haciendo que la manipulación de cualquier parámetro para mejorar el rendimiento termoeléctrico sea un desafío. Los investigadores ya habían ideado varias estrategias para mejorar las ZT, optimizando los factores de potencia a través de la convergencia de bandas, aplanamiento de banda o distorsión de la densidad de estados.

Los científicos pueden desacoplar los parámetros termoeléctricos incorporando nanopartículas magnéticas y reduciendo la conductividad térmica con nanoestructuras. Los científicos de materiales también han desarrollado materiales completamente nuevos con conductividad térmica intrínsecamente baja o con un gran factor de potencia. o con termoeléctricos de alto rendimiento obtenidos a través de un cribado confiable de material de alto rendimiento. Los termoeléctricos de alto rendimiento generalmente se estudian ampliamente en los semiconductores del grupo IV-VI. La adición de SnSe (seleniuro de estaño) al grupo es prometedora ya que los materiales termoeléctricos no contienen estos elementos. Es más, SnSe tiene propiedades de un ZT alto junto con múltiples bandas de valencia y carga tridimensional (3-D) y transporte de fonones 2-D.

El compuesto SnS es un análogo estructural de SnSe y se predice que también será un candidato termoeléctrico atractivo. Si bien el menor costo y la abundancia en la tierra del S (azufre) es atractivo para la ciencia frugal y las aplicaciones comerciales a gran escala, la baja movilidad del portador puede provocar que las malas propiedades de transporte eléctrico impidan un alto rendimiento termoeléctrico. En el presente trabajo, He et al. por lo tanto, exploró los potenciales termoeléctricos de los cristales de SnS manipulando su estructura de bandas, ya que el equipo de investigación también había demostrado previamente la capacidad de impulsar la movilidad del portador de los cristales de SnS. Dado que S era bastante reactivo con los materiales de contacto, era importante desarrollar una barrera de difusión en el futuro.

En el presente trabajo, el equipo de investigación sintetizó SnS _1-x Se _X cristales usando un método de gradiente de temperatura para investigar el papel del Se en el compuesto. El equipo obtuvo estructuras de bandas electrónicas dependientes de la temperatura utilizando cálculos de la teoría de la función de densidad (DFT) basados ​​en posiciones atómicas, que derivaron utilizando datos de difracción de rayos X de radiación sincrotrón de alta temperatura (SR-XRD). Usando los cálculos de DFT y las mediciones de espectroscopía de fotoemisión resueltas en ángulo (ARPES), el equipo confirmó tres interacciones de bandas electrónicas separadas. Promovieron la interacción de comportamiento sobresaliente de las bandas electrónicas sustituyendo S con Se para optimizar con éxito la masa efectiva (m ^* ) y movilidad efectiva (µ) dentro del material. Mejoraron el factor de potencia (PF) de 30 a 53 µWcm. ^-1 K ^-2 a 300 K. El equipo confirmó la sustitución de Se utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberración (STEM) y espectroscopía de estructura fina de absorción de rayos X (XAFS). Usando dispersión de neutrones inelástica (INS), He et al. mostró que los fonones típicos (ondas acústicas) se suavizaban mediante la sustitución de Se y se acoplaban aún más con ramas acústicas para una conductividad térmica más baja.

Los resultados implicaron además que la conductividad eléctrica mejoró debido a la movilidad del portador mejorada después de alear el 9 por ciento de Se. El equipo de investigación observó un aumento combinado de la conductividad eléctrica y un gran coeficiente de Seebeck (sensibilidad termoeléctrica) para proporcionar un PF (factor de potencia) de aproximadamente 53 µWcm. ^-1 K ^-2 a 300 K para el SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristales. Los valores fueron superiores a los de otros materiales termoeléctricos de los compuestos del grupo IV a VI. El equipo de investigación ilustró esquemáticamente la evolución dinámica de las tres bandas de valencia y la compensación de energía entre ellas en función de la temperatura. Luego, al presentar a Se, He et al. promovió la interacción de las tres bandas de valencia responsables de optimizar la masa efectiva y la movilidad (m ^* y µ); donde bajar m ^* resultó en la mejora de µ.

He et al. también usó ARPES (mediciones de espectroscopía de fotoemisión resueltas en ángulo) para observar la estructura de la banda eléctrica de los cristales de SnS. Trazaron tres bandas de valencia a lo largo de diferentes direcciones y sus niveles de energía relativa en la zona 3-D de Brillouin (una zona teórica). Luego, los científicos llevaron a cabo una espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X (XAFS) en SnS _1-x Se _X cristales para comprender la sustitución de Se. Su trabajo demostró que para SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristales el espectro de estructura cercana al borde de absorción de rayos X (XANES) contenía tres características principales. El equipo de investigación reprodujo las tres características experimentales principales utilizando un espectro simulado y un modelo de sustitución de Se. Observaron la introducción exitosa de Se en la red de SnS para todos los SnS _1-x Se _X cristales.

El equipo utilizó campo oscuro anular de alto ángulo STEM (HAADF) para producir una imagen de contraste y ver sustituciones de Se a escala atómica en sitios S dentro de SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristales. Obtuvieron modos estructurales y patrones de difracción de electrones para SnS y SnSe en arreglos atómicos similares a mancuernas. El brillo anormal en los sitios S indicó sustituciones de Se. Combinaron un factor de potencia (PF) excepcionalmente alto y una conductividad térmica baja para generar un ZT máximo (ZT _max ), para el SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristales. He et al. mostró una buena estabilidad termoeléctrica para los cristales de alto rendimiento, donde los cristales mostraron una excelente estabilidad después de la irradiación de neutrones durante 432 horas. Esta resistencia a la irradiación es importante para los generadores termoeléctricos de radioisótopos para la exploración del espacio profundo.

En comparación con otros materiales termoeléctricos del grupo IV-VI, Los materiales de SnS fueron muy superiores en relación con la toxicidad y la abundancia elemental. Los investigadores esperan optimizar aún más los materiales de contacto para SnS durante la sustitución elemental para obtener una mayor eficiencia experimental con bajo costo y alto rendimiento en el futuro. De este modo, Wenke He y sus colegas utilizaron SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristales para demostrar ampliamente el gran potencial de competitividad, Aplicaciones a gran escala en tecnología de materiales termoeléctricos.

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