(a) Estructura cristalina tridimensional de YbSi2, (b) vista a lo largo del eje a, y (c) a lo largo del eje c. Crédito:2017 Kurosaki et al. Phys. Estado Solidi RRL 2017, 1700372. doi:10.1002 / pssr.201700372
Los materiales termoeléctricos (TE) podrían desempeñar un papel clave en las tecnologías futuras. Aunque las aplicaciones de estos compuestos notables se han explorado durante mucho tiempo, en su mayoría se limitan a dispositivos de alta temperatura. Recientemente, investigadores de la Universidad de Osaka, en colaboración con Hitachi, Limitado., desarrolló un nuevo material TE con un factor de potencia mejorado a temperatura ambiente. Su estudio, publicado en Estado físico Solidi RRL , podría ayudar a sacar estos materiales del nicho de las altas temperaturas y llevarlos a la corriente principal.
Los materiales TE muestran el efecto termoeléctrico:aplique calor en un lado, y comienza a fluir una corriente eléctrica. En cambio, ejecutar una corriente externa a través del dispositivo, y se forma un gradiente de temperatura; es decir., un lado se calienta más que el otro. Al interconvertir calor y electricidad, Los materiales TE se pueden utilizar como generadores de energía (dada una fuente de calor) o refrigeradores (dada una fuente de energía).
El material TE ideal combina una alta conductividad eléctrica, permitiendo que la corriente fluya, con baja conductividad térmica, lo que evita que el gradiente de temperatura se iguale. El rendimiento de la generación de energía depende principalmente del "factor de potencia, "que es proporcional tanto a la conductividad eléctrica como a un término llamado coeficiente de Seebeck.
"Desafortunadamente, la mayoría de los materiales TE se basan a menudo en elementos raros o tóxicos, "dice el coautor Sora-en Tanusilp." Para abordar esto, Combinamos silicio, que es común en los materiales TE, con iterbio, para crear siliciuro de iterbio [YbSi 2 ]. Elegimos el iterbio sobre otros metales por varias razones. Primero, sus compuestos son buenos conductores eléctricos. Segundo, YbSi 2 no es tóxico. Es más, este compuesto tiene una propiedad específica llamada fluctuación de valencia que lo convierte en un buen material TE a bajas temperaturas ".
Dependencias de temperatura de (a) el coeficiente de Seebeck S, (b) conductividad eléctrica σ, (c) factor de potencia S 2 σ para YbSi 2 . Los datos reportados para Bi 2 Te 3 -basadas en aleación se muestran como líneas continuas para la comparación. Crédito:2017 Kurosaki et al. Phys. Estado Solidi RRL 2017, 1700372. doi:10.1002 / pssr.201700372
La primera ventaja de YbSi 2 es que los átomos de Yb ocupan una mezcla de estados de valencia, tanto +2 como +3. Esta fluctuación, también conocida como resonancia de Kondo, aumenta el coeficiente de Seebeck manteniendo una alta conductividad eléctrica similar al metal a baja temperatura, y por tanto el factor de potencia.
Segundo, YbSi 2 tiene una estructura en capas inusual. Mientras que los átomos de Yb ocupan planos cristalinos similares al metal Yb puro, los átomos de Si forman láminas hexagonales entre esos planos, asemejándose a las láminas de carbón en grafito. Esto bloquea la conducción de calor a través del material, y por lo tanto mantiene baja la conductividad térmica, preservando el gradiente de temperatura. Los investigadores creen que la conducción de calor se suprime aún más controlando la estructura en nanoescala y los rastros de impurezas y otros defectos.
El resultado es un factor de potencia alentadoramente alto de 2,2 mWm -1 K -2 a temperatura ambiente. Esto es competitivo con los materiales TE convencionales basados en telururo de bismuto. Como explica el autor correspondiente de este estudio, Ken Kurosaki, "El uso de Yb demuestra que podemos conciliar las necesidades conflictivas de los materiales TE mediante la selección cuidadosa de los metales adecuados. TE a temperatura ambiente, con potencia moderada, puede verse como complementario al convencional de alta temperatura, dispositivos de alta potencia. Esto podría ayudar a desbloquear los beneficios de TE en la tecnología diaria ".
