Fig. 1:(Izquierda) Esquema de la estructura cristalina en capas de SnSe. (Derecha) Dependencia de la presión del factor de potencia termoeléctrica a 150 K y 300 K para SnSe. El recuadro muestra la ilustración esquemática del cambio correspondiente en la topología de valle en SnSe. Crédito:Universidad de Osaka
Los investigadores de la Universidad de Osaka han podido mejorar el factor de potencia de un material termoeléctrico prometedor en más del 100% al variar la presión, allanando el camino para nuevos materiales con propiedades termoeléctricas mejoradas. Los materiales termoeléctricos tienen la capacidad única de generar electricidad a partir de las diferencias de temperatura y, por lo tanto, podrían usarse para convertir el calor desperdiciado (como el calor de computadoras portátiles o servidores calientes) en electricidad utilizable.
Además de mejorar las propiedades termoeléctricas de un material, los investigadores revelaron que las propiedades termoeléctricas del material se originan a partir de una transición en la topología de la estructura de la banda electrónica, que se conoce como la transición Lifshitz. Esta transición difiere de la transición de fase convencional tipo Landau, porque ocurre sin que se rompa la simetría. Los investigadores han tenido durante mucho tiempo razones para creer que la transición de Lifshitz juega un papel crucial en muchos fenómenos cuánticos, como la superconductividad, magnetismo complejo, y propiedades termoeléctricas, pero carecían de pruebas directas.
En este nuevo estudio, Los investigadores de la Universidad de Osaka han demostrado un vínculo directo entre la transición Lifshitz y las propiedades físicas en un material termoeléctrico. "Pudimos realizar un seguimiento de la transición de Lifshitz aplicando presión y midiendo las oscilaciones cuánticas a medida que aumentaba la presión, "dice el autor correspondiente Hideaki Sakai.
Los investigadores estudiaron el seleniuro de estaño (SnSe), un material termoeléctrico que también es un semiconductor con una pequeña cantidad de portadores conductores. En semiconductores, la banda de valencia de menor energía está llena de electrones, mientras que la banda de conducción de mayor energía está vacía de ellos; una vez introducidas algunas impurezas y / o defectos químicos, Los portadores conductores se introducen como electrones y huecos en las bandas de conducción y valencia, respectivamente, y el semiconductor se comportará como un conductor. Además de afectar las propiedades de conducción eléctrica del material, la estructura de la banda también tiene un efecto sobre los fenómenos cuánticos, como sus capacidades termoeléctricas. Las bandas de valencia del seleniuro de estaño no son completamente planas, pero normalmente tienen dos valles.
Fig. 2:Configuración de las medidas termoeléctricas y eléctricas bajo presión. Crédito:Universidad de Osaka
"Cuando aumentamos la presión sobre el material, observamos un cambio de dos a cuatro valles en el material cuando ocurrió la transición Lifshitz, Hideaki Sakai dice. Los investigadores pudieron demostrar tanto experimental como teóricamente que este cambio en el número de valles fue directamente responsable de mejorar significativamente las propiedades termoeléctricas del seleniuro de estaño.
Los resultados del estudio pueden ayudar a preparar materiales termoeléctricos mejorados en el futuro y también podrían ayudar a aclarar el efecto de la transición Lifshitz en varias propiedades de transporte. lo que conduce a aplicaciones potenciales como la electrónica novedosa que utiliza grados de libertad de valle en la estructura de la banda.
