Los HAXPES en Spring-8. Crédito:Dr. Kotsugi
En la búsqueda de soluciones a los problemas ambientales cada vez más graves, como el agotamiento de los combustibles fósiles y el cambio climático, muchos han recurrido al potencial de los materiales termoeléctricos para generar energía. Estos materiales exhiben lo que se conoce como efecto termoeléctrico, lo que crea una diferencia de voltaje cuando hay un gradiente de temperatura entre los lados del material. Este fenómeno se puede aprovechar para producir electricidad utilizando la enorme cantidad de calor residual que genera la actividad humana. como el de los automóviles y las centrales térmicas, proporcionando así una alternativa ecológica para satisfacer nuestras necesidades energéticas.
Siliciuro de magnesio (Mg 2 Si) es un material termoeléctrico particularmente prometedor con una alta "figura de mérito" (ZT), una medida de su rendimiento de conversión. Aunque los científicos señalaron anteriormente que el dopaje Mg 2 Si con una pequeña cantidad de impurezas mejora su ZT al aumentar su conductividad eléctrica y reducir su conductividad térmica, los mecanismos subyacentes detrás de estos cambios eran desconocidos, hasta ahora.
En un estudio conjunto reciente publicado como artículo destacado en Letras de física aplicada , científicos de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI), y la Universidad de Shimane, Japón, se unieron para descubrir los misterios detrás del rendimiento mejorado de Mg 2 Si dopado con antimonio (Sb). Dr. Masato Kotsugi de TUS, quién es el autor correspondiente del estudio, explica su motivación:"Aunque se ha encontrado que las impurezas Sb aumentan la ZT del Mg 2 Si, los cambios resultantes en la estructura local y los estados electrónicos que causan este efecto no se han dilucidado experimentalmente. Esta información es fundamental para comprender los mecanismos detrás del rendimiento termoeléctrico y mejorar la próxima generación de materiales termoeléctricos ".
Pero, ¿cómo podrían analizar los efectos de las impurezas de Sb sobre el Mg? 2 Si a nivel atómico? La respuesta está en el análisis de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X duros (HAXPES), como Dr. Masato Kotsugi y Mr Tomoyuki Kadono, quién es el primer autor del estudio, explicar:"EXAFS nos permite identificar la estructura local alrededor de un átomo excitado y tiene una fuerte sensibilidad hacia los elementos diluidos (impurezas) en el material, que se pueden identificar con precisión mediante mediciones de fluorescencia. Por otra parte, HAXPES nos permite investigar directamente los estados electrónicos en lo profundo de la mayor parte del material sin la influencia no deseada de la oxidación de la superficie ". Estas poderosas técnicas, sin embargo, no se realizan con equipo común y corriente. Los experimentos se llevaron a cabo en SPring-8, una de las instalaciones de radiación de sincrotrón de rayos X más importantes del mundo, con la ayuda del Dr. Akira Yasui y el Dr. Kiyofumi Nitta de JASRI.
Los científicos complementaron estos métodos experimentales con cálculos teóricos para arrojar luz sobre los efectos exactos de las impurezas en Mg. 2 Si. Estos cálculos teóricos fueron realizados por la Dra. Naomi Hirayama de la Universidad de Shimane. "La combinación de cálculos teóricos con experimentación es lo que arrojó resultados únicos en nuestro estudio, " ella dice.
Los científicos encontraron que los átomos de Sb toman el lugar de los átomos de Si en el Mg 2 La red cristalina de Si e introduce una ligera distorsión en las distancias interatómicas. Esto podría promover un fenómeno llamado dispersión de fonones, lo que reduce la conductividad térmica del material y a su vez aumenta su ZT. Es más, debido a que los átomos de Sb contienen un electrón de valencia más que el Si, proporcionan efectivamente portadores de carga adicionales que acortan la brecha entre las bandas de valencia y conducción; en otras palabras, Las impurezas Sb desbloquean estados de energía que facilitan el salto de energía requerido por los electrones para circular. Como resultado, la conductividad eléctrica del Mg dopado 2 Si aumenta, y también su ZT.
Este estudio ha profundizado enormemente nuestra comprensión del dopaje en materiales termoeléctricos, y los resultados deberían servir de guía para la ingeniería de materiales innovadores. Dr. Tsutomu Iida, científico principal del estudio, dice:"En mi visión del futuro, el calor residual de los automóviles se convierte efectivamente en electricidad para impulsar una sociedad respetuosa con el medio ambiente ". Afortunadamente, podríamos estar un paso más cerca de cumplir este sueño.
