Figura. (a) Diagrama esquemático que muestra el concepto de generación termoeléctrica transversal impulsada por Seebeck (STTG). La corriente de carga inducida por el efecto Seebeck en el material termoeléctrico genera un gran voltaje termoeléctrico en el material magnético en la dirección perpendicular a un gradiente de temperatura. (b) Tensión termoeléctrica transversal en función de la relación de tamaño entre los materiales termoeléctricos y magnéticos. Las curvas sólidas se calcularon utilizando nuestros modelos fenomenológicos que describen el STTG y los símbolos cuadrados se midieron en los experimentos. (c) Esquema de la estructura de la muestra. (d) Comparación entre la termopotencia transversal para Co2MnGa simple, en el que solo aparece el efecto Nernst anómalo (ANE), y la estructura híbrida Co2MnGa-Si, en el que tanto STTG como ANE aparecen simultáneamente. Crédito:Instituto Nacional de Ciencia de Materiales
Un equipo de investigación del NIMS ideó un nuevo mecanismo de generación termoeléctrica con una estructura híbrida compuesta de materiales termoeléctricos y magnéticos. Luego, el equipo fabricó esta estructura y observó la termopotencia récord que aparece en la dirección perpendicular a un gradiente de temperatura (es decir, Generación termoeléctrica transversal). Estos resultados pueden ofrecer información sobre nuevos mecanismos y diseños estructurales aplicables al desarrollo de tecnologías versátiles de recolección de energía y sensores de flujo de calor altamente sensibles.
El efecto Seebeck es un fenómeno en el que un gradiente de temperatura a través de un metal o semiconductor se convierte en un voltaje termoeléctrico. Debido a que este efecto se puede utilizar para convertir el calor residual en energía eléctrica, sus aplicaciones potenciales (por ejemplo, fuentes de energía autónomas para dispositivos IoT) se han estudiado ampliamente. Sin embargo, La generación termoeléctrica impulsada por el efecto Seebeck tiene desventajas:se genera una termoeléctrica a lo largo de la dirección de un gradiente de temperatura (es decir, generación termoeléctrica longitudinal). Debido a esta relación paralela, un material termoeléctrico debe extenderse en la dirección de un gradiente de temperatura para crear grandes diferencias de temperatura y el gran voltaje termoeléctrico resultante. Es más, en dispositivos Seebeck convencionales, una estructura compleja compuesta por una conexión en serie de muchos pares de dos materiales termoeléctricos diferentes es necesaria para mejorar un voltaje termoeléctrico. Sin embargo, estos arreglos aumentan el costo de producción, hacer que el material / estructura sea menos duradero, y limitar su aplicabilidad práctica. A diferencia de, el efecto Nernst anómalo, un fenómeno termoeléctrico que ocurre solo en materiales magnéticos, puede generar un voltaje termoeléctrico perpendicular a la dirección de un gradiente de temperatura. Por tanto, este efecto puede permitir la generación de una termopotencia en una dirección transversal, y el voltaje termoeléctrico se puede mejorar simplemente aumentando la longitud del material en la dirección perpendicular a un gradiente de temperatura. Se espera que los materiales termoeléctricos extendidos transversalmente tengan una flexibilidad significativamente mayor cuando se integran en módulos y compensen las desventajas mencionadas anteriormente relacionadas con el efecto Seebeck. Sin embargo, Se ha demostrado que el efecto Nernst anómalo genera sólo una potencia térmica muy pequeña (menos de 10 μV / K a temperatura cercana a la ambiente), lo que dificulta su aplicación práctica.
En este proyecto de investigación, El equipo de investigación ideó y demostró un nuevo mecanismo de generación termoeléctrica en el que una termopotencia longitudinal inducida por el efecto Seebeck en un material termoeléctrico puede convertirse en una termopotencia transversal en un material magnético a través del efecto Hall anómalo. Luego, el equipo simuló este mecanismo basado en cálculos de modelos fenomenológicos y descubrió que era potencialmente capaz de generar una termopotencia muy alta más allá de 100 μV / K perpendicular a la dirección de un gradiente de temperatura cuando se optimizan los materiales y las estructuras. Para verificar experimentalmente este resultado, El equipo fabricó una estructura híbrida compuesta de Co2MnGa, un compuesto magnético capaz de producir el gran efecto Hall anómalo, y Si semiconductor capaz de producir el gran efecto Seebeck. Esta estructura generó las termopotencias transversales positivas y negativas récord (+82 μV / K y -41 μV / K). La magnitud y el signo de las termopotencias medidas se reproducen bien mediante la predicción basada en los cálculos del modelo. La capacidad de generación termoeléctrica del material compuesto se puede mejorar aún más mediante la optimización estructural y del material.
La termoeléctrica observada en este proyecto fue más de 10 veces mayor que la termoeléctrica más alta registrada anteriormente generada por el efecto Nernst anómalo. Se espera que este resultado avance significativamente en los esfuerzos de I + D con el objetivo de poner en práctica la generación termoeléctrica transversal. En estudios futuros, we plan to research and develop effective magnetic and thermoelectric materials, create composite structures using these materials, and optimize their structures. We will then use these hybrid materials to develop energy harvesting technologies capable of powering IoT devices and heat flux sensors that can be used for energy-saving purposes.
This research was published in the online version of Materiales de la naturaleza , a British scientific journal, at 1:00 am on January 19, 2021, Japan Time (4:00 pm on January 18, GMT).
