En años recientes, el consumo de energía en los países desarrollados ha sido bastante derrochador. Casi dos tercios de la energía total se desechan normalmente en el medio ambiente como "calor residual, "que termina contribuyendo al calentamiento global. Encontrar una manera de utilizar productivamente este calor ha sido una de las prioridades de todos los investigadores de materiales.

Una de las diversas formas posibles de recuperar este calor residual en forma de electricidad es utilizando lo que se conoce como "conversión termoeléctrica", un proceso que utiliza la diferencia de temperatura en los semiconductores para convertirlos directamente en voltaje eléctrico. Los dispositivos termoeléctricos incluyen semiconductores tipo py tipo n con dos tipos de portadores de carga, es decir, electrón y hueco. Los semiconductores tipo py tipo n están conectados en serie para producir un gran voltaje termoeléctrico. Por lo tanto, es necesario desarrollar semiconductores de tipo p y tipo n con alta eficiencia de conversión termoeléctrica.

Un material semiconductor particular al que los científicos han dirigido recientemente su atención es el monoselenuro de estaño (SnSe), que, según se informa, exhibe el valor ZT de índice de rendimiento de conversión termoeléctrica más alto del mundo. Sin embargo, SnSe es incapaz de controlar el tipo de portador de carga con facilidad. El dopaje con iones alcalinos mejora el rendimiento termoeléctrico de tipo p, pero los iones alcalinos son elementos volátiles y difusores. y no son adecuados para aplicaciones de alta temperatura. Añadiendo bismuto y yodo para que sea de tipo n, por otra parte, da como resultado concentraciones bajas de electrones.

En un nuevo estudio publicado en Materiales funcionales avanzados , un equipo de científicos de Tokyo Tech, Japón, dirigido por el profesor Takayoshi Katase descubrió que cuando se dopa con antimonio (Sb), SnSe, denotado como (Sn _1-x Sb _X ) Se, exhibe un peculiar cambio de tipo de conducción. Específicamente, el equipo observó que a bajas concentraciones de dopaje, (Sn _1-x Sb _X ) Se comenzó con conducción tipo p pero cambió a tipo n con dopaje creciente, y finalmente cambió de nuevo al tipo p para concentraciones altas. Los elaborados análisis y cálculos revelaron un interesante mecanismo de conmutación de tipo de carga que, el equipo encontró, tiene que ver con la distribución de los sitios de sustitución de Sb entre Sn y Se. Atribuyeron este comportamiento de cambio a un cambio del sitio de sustitución principal de Sb desde Se (Sb _Se ) a Sn (Sb _Sn ) con el aumento del dopaje.

Los científicos explicaron que a concentraciones muy bajas de Sb, la conducción de tipo p se produce únicamente debido a los huecos suministrados por la vacante Sn. Pero a medida que aumenta el dopaje, Sb _Sn comienza a donar electrones mientras que Sb _Se forma una "banda de impurezas" que permite la conducción a través de ella, resultando en el comportamiento de tipo n observado. Sin embargo, a medida que aumenta el nivel de dopaje, el nivel de Fermi se aproxima al nivel intermedio ubicado entre el Sb _Se banda de impureza y banda de conducción mínima, resultando en la conducción tipo p.

Con conocimientos tan notables que ofrecer, Los resultados son, sin duda, un potencial cambio de juego para SnSe. Sin embargo, El profesor Takase prevé un alcance aún más amplio. "Ahora que entendemos el mecanismo en juego en el cambio de polaridad del SnSe dopado con Sb, podemos esperar optimizar el proceso de síntesis a granel para mejorar aún más su rendimiento termoeléctrico y, Sucesivamente, realizar con él dispositivos de conversión termoeléctrica de alto rendimiento, "conjetura el profesor Katase.

Y lo que es más, Los investigadores también esperan que el control de polaridad basado en la conmutación del sitio de dopaje sea más versátil en el futuro y pueda aplicarse a otros materiales semiconductores cuyos tipos de portadores son difíciles de controlar de otra manera. ¡Esperamos que esto conduzca a un futuro en el que el calor residual ya no sea un desperdicio!