Un equipo de físicos de la Universidad de Clemson compuesto por los científicos de nanomateriales Apparao Rao y Ramakrishna Podila y los termoeléctricos Terry Tritt, Jian He y Pooja Puneet trabajaron sinérgicamente a través del recién establecido Centro de Nanomateriales Clemson para desarrollar una técnica novedosa para adaptar las propiedades termoeléctricas del telururo de bismuto tipo n para un alto rendimiento termoeléctrico.

Sus hallazgos fueron publicados en la revista Informes científicos .

La economía energética y el medio ambiente actuales de EE. UU. Se ven cada vez más amenazados por la rápida disminución de las reservas nacionales de combustibles fósiles junto con el severo impacto ambiental de la combustión de combustibles fósiles. Se espera que los dispositivos termoeléctricos de alta eficiencia proporcionen tecnología de energía limpia, las necesidades del momento para la sostenibilidad energética de EE. UU. Esta investigación es un paso hacia la optimización del rendimiento del dispositivo, ya que describe una metodología para superar un desafío que ha "frustrado" a los investigadores termoeléctricos hasta la fecha.

Los dispositivos termoeléctricos (TE) convierten el calor residual en electricidad a través de la propiedad de un material único llamado efecto Seebeck. Básicamente, el efecto Seebeck da como resultado un voltaje en los dos extremos de un material TE, similar al voltaje presente en los dos extremos de una batería AA, cuando el material TE está adecuadamente expuesto al calor residual. En tales dispositivos, la eficiencia de convertir el calor en electricidad se rige por ciertas propiedades de los materiales fuertemente acoplados, verbigracia., resistividad electrica, Coeficiente de Seebeck, y conductividad térmica. Un dispositivo TE funcional consta de varias patas compuestas de materiales tipo py tipo n, al igual que un diodo se compone de una unión p-n.

El telururo de bismuto (Bi2Te3) es un material en capas y puede verse como una baraja de cartas, donde cada tarjeta tiene solo unos pocos átomos de espesor. Bi2Te3 se considera actualmente como el material TE de última generación con alta eficiencia para convertir el calor residual en electricidad. por lo que resulta atractivo para los procesos de captación de energía.

Los métodos tradicionales de nanoescala no lograron mejorar el rendimiento de Bi2Te3 de tipo n, ya que simplemente degradan todas las propiedades de los materiales simultáneamente. Por lo tanto, Los investigadores y colegas de Clemson desarrollaron un método novedoso de nanoescala en el que primero pelamos Bi2Te3 de tipo n en láminas atómicamente delgadas (similar al grafeno, que es una lámina de átomos de carbono de un átomo de espesor) y las volvemos a ensamblar mediante un proceso de sinterización por plasma de chispa.

Los investigadores descubrieron que el proceso de dos pasos descrito anteriormente de separar primero la baraja de cartas en cartas individuales y luego volver a ensamblarlas en una baraja mediante la sinterización de plasma de chispa nos permite adaptar adecuadamente las propiedades de los materiales de Bi2Te3 de tipo n para altas temperaturas. Rendimiento TE. En este enfoque, Los llamados 'defectos de carga interfacial' se generan en el Bi2Te3 sinterizado de tipo n que no solo mejora sus propiedades estructurales sino también su eficiencia termoeléctrica en una amplia ventana de temperatura, lo que lo hace extremadamente compatible con Bi2Te3 de tipo p para fabricar dispositivos TE eficientes.

Se espera que el factor de compatibilidad mejorado (demostrado en este documento) abra nuevas posibilidades para dispositivos TE altamente eficientes. El elemento fascinante y digno de mención de esta investigación es que los defectos, que a menudo connotan impureza y se asocian con bajo rendimiento o eficiencia, de hecho, se puede utilizar para ajustar las propiedades de los materiales a nuestro favor.

La comunidad científica actual carece de una comprensión integral de los defectos, principalmente debido a la ausencia de métodos que puedan generar y manipular defectos de manera controlable. El futuro de esta investigación estará dirigido a desarrollar herramientas para generar y estudiar defectos a un nivel fundamental que a su vez permitirá a los investigadores optimizar las propiedades de los materiales no solo de los materiales TE sino también de una nueva clase de materiales bidimensionales más allá del Nobel. -grafeno ganador para la generación y almacenamiento de energía.