Un efecto de traqueteo colectivo recientemente descubierto en un tipo de semiconductor cristalino bloquea la mayor parte de la transferencia de calor al tiempo que conserva la alta conductividad eléctrica, una combinación poco común que, según los científicos, podría reducir la acumulación de calor en dispositivos electrónicos y motores de turbina. entre otras posibles aplicaciones.

Un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) descubrió estos rasgos exóticos en una clase de materiales conocidos como perovskitas de haluro. que también se consideran candidatos prometedores para paneles solares de próxima generación, láseres a nanoescala, enfriamiento electronico, y pantallas electrónicas.

Estas propiedades térmicas y eléctricas (o "termoeléctricas") interrelacionadas se encontraron en alambres a nanoescala de yoduro de cesio y estaño (CsSnI ₃ ). Se observó que el material tenía uno de los niveles más bajos de conductividad térmica entre los materiales con una estructura cristalina continua.

Este llamado material monocristalino también se puede producir más fácilmente en grandes cantidades que los materiales termoeléctricos típicos. como el silicio-germanio, dijeron los investigadores.

"Sus propiedades se originan en la propia estructura cristalina. Es un fenómeno de tipo atómico, "dijo Woochul Lee, un investigador postdoctoral en Berkeley Lab que fue el autor principal del estudio, publicado la semana del 31 de julio en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias diario. Estos son los primeros resultados publicados relacionados con el rendimiento termoeléctrico de este material monocristalino.

Los investigadores pensaron anteriormente que las propiedades térmicas del material eran el producto de átomos "enjaulados" que traqueteaban dentro de la estructura cristalina del material. como se había observado en algunos otros materiales. Tal traqueteo puede servir para interrumpir la transferencia de calor en un material.

"Al principio pensamos que eran átomos de cesio, un elemento pesado, moviéndose en el material, "dijo Peidong Yang, un científico de la facultad senior de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab que dirigió el estudio.

Jeffrey Grossman, investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts, luego realizó un trabajo teórico y simulaciones computarizadas que ayudaron a explicar lo que el equipo había observado. Los investigadores también utilizaron Molecular Foundry de Berkeley Lab, que se especializa en investigación a nanoescala, en el estudio.

"Creemos que hay esencialmente un mecanismo de vibración, no solo con el cesio. Es la estructura general la que resuena; es un traqueteo colectivo, "Dijo Yang." El mecanismo de vibración está asociado con la estructura cristalina en sí, "y no es el producto de una colección de diminutas jaulas de cristal". Es un movimiento atómico grupal, "añadió.

Dentro de la estructura cristalina del material, la distancia entre los átomos se está reduciendo y creciendo de una manera colectiva que evita que el calor fluya fácilmente.

Pero debido a que el material está compuesto por un ordenado, estructura monocristalina, la corriente eléctrica aún puede fluir a través de él a pesar de este traqueteo colectivo. Imagínese que su conductividad eléctrica es como un submarino viajando suavemente en tranquilas corrientes submarinas, mientras que su conductividad térmica es como un velero que se agita en un mar embravecido en la superficie.

Yang dijo que dos aplicaciones principales de los materiales termoeléctricos están en refrigeración, y en convertir calor en corriente eléctrica. Para este material particular de yoduro de estaño y cesio, Las aplicaciones de enfriamiento, como un revestimiento para ayudar a enfriar los sensores de las cámaras electrónicas, pueden ser más fáciles de lograr que la conversión de calor a electricidad. él dijo.

Un desafío es que el material es altamente reactivo al aire y al agua, por lo que requiere una capa protectora o encapsulado para funcionar en un dispositivo.

El yoduro de cesio y estaño se descubrió por primera vez como material semiconductor hace décadas, y solo en los últimos años ha sido redescubierto por sus otros rasgos únicos, Dijo Yang. "Resulta ser una increíble mina de oro de propiedades físicas, " El lo notó.

Para medir la conductividad térmica del material, los investigadores unieron dos islas de un material de anclaje con un nanoalambre de yoduro de cesio y estaño. El nanoalambre estaba conectado en cada extremo a microislas que funcionaban como calentador y termómetro. Los investigadores calentaron una de las islas y midieron con precisión cómo el nanocable transportaba el calor a la otra isla.

También realizaron microscopía electrónica de barrido para medir con precisión las dimensiones del nanoalambre. Utilizaron estas dimensiones para proporcionar una medida exacta de la conductividad térmica del material. El equipo repitió el experimento con varios materiales de nanocables diferentes y múltiples muestras de nanocables para comparar las propiedades termoeléctricas y verificar las mediciones de conductividad térmica.

"El siguiente paso es alear este material (yoduro de estaño y cesio), ", Dijo Lee." Esto puede mejorar las propiedades termoeléctricas ".

También, Al igual que los fabricantes de chips de computadora implantan una sucesión de elementos en las obleas de silicio para mejorar sus propiedades electrónicas, un proceso conocido como "dopaje", los científicos esperan utilizar técnicas similares para explotar más plenamente las características termoeléctricas de este material semiconductor. Este es un territorio relativamente inexplorado para esta clase de materiales, Dijo Yang.