(Phys.org) —Los investigadores han demostrado teóricamente la tasa más baja de transferencia de calor, o conductividad térmica, en cualquier material a base de silicio desarrollado hasta ahora.

El nuevo material, que es un nanoalambre de silicio policristalino, rompe dos límites:el límite de Casimir y el límite amorfo. El límite de Casimir es una teoría que describe la conductividad térmica de nanoestructuras, y romperlo significa que la conductividad térmica del nuevo material es menor que el valor predicho por la teoría del límite de Casimir. El límite amorfo se considera la conductividad térmica más baja de un material, ya que las estructuras amorfas dispersan fuertemente los portadores de calor. Sin embargo, debido a su diseño único a nanoescala, el nanoalambre de silicio policristalino tiene una conductividad térmica tres veces menor que la de los materiales de silicio amorfo.

Los investigadores, Yanguang Zhou y Ming Hu en la Universidad RWTH Aachen en Alemania, han publicado un artículo sobre el nanoalambre de silicio policristalino en un número reciente de Nano letras .

Los investigadores esperan que el nuevo material sea especialmente útil para aplicaciones termoeléctricas. Al convertir la energía térmica en electricidad, Los materiales termoeléctricos proporcionan una forma de capturar parte del calor residual emitido por los tubos de escape de los vehículos. plantas de energía, e instalaciones de fabricación, y luego convertir el calor en energía útil.

En general, Los buenos materiales termoeléctricos son aquellos que simultáneamente tienen alta conductividad electrónica y baja conductividad térmica. Juntos, estas dos propiedades conducen a una alta eficiencia general de conversión de calor a electricidad. En el nuevo estudio, los investigadores se centraron en disminuir la conductividad térmica manteniendo la ya alta conductividad electrónica de los materiales de silicio.

"En este papel, informamos de una nueva estructura, nanoalambre policristalino, que puede reducir la conductividad térmica a un valor récord bajo, sólo un tercio de su homólogo amorfo, "Zhou dijo Phys.org . "Si mantenemos la conductividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck como constantes, que se puede lograr dopando el material, la eficiencia del nanoalambre policristalino para convertir el calor en electricidad se puede mejorar 277 veces con respecto a su contraparte a granel ".

La clave de la baja conductividad térmica del nuevo nanoalambre de silicio es su forma policristalina, que consta de muchas estructuras cristalinas de diferentes formas y tamaños en orientaciones aleatorias. Basado en el tamaño de grano promedio (aproximadamente 3 nm) en los nanocables de silicio policristalino, el límite de Casimir predice que la conductividad térmica no puede estar por debajo de aproximadamente 3 W / mK. Pero las simulaciones de los investigadores muestran que los nanocables de silicio policristalino tienen una conductividad térmica de solo 0,7 W / mK. Para comparacion, este valor es 269 veces menor que el del silicio a granel, 77 veces más bajo que el de los nanocables de silicio prístinos, y tres veces menor que el de los nanocables de silicio amorfo.

Los investigadores explican que una característica importante de la estructura policristalina es que los límites de los granos entre los cristales son discontinuos. Como resultado, los límites de los granos bloquean y dispersan los fonones que transportan el calor, de modo que los fonones no pueden moverse muy lejos (solo alrededor de 1 nm) a través del material en comparación con lo lejos que pueden moverse en otros materiales de silicio (hasta 1 µm), en el que los límites de los granos forman una red continua.

Los resultados aquí plantean la pregunta de cuál puede ser la conductividad térmica más baja posible para los nanocables de silicio de cualquier forma. En general, Hay dos tipos de vibraciones que contribuyen a la conductividad térmica:propagones y difusores. Los investigadores esperan que sea posible eliminar completamente la contribución de los propagones incorporando el desorden en forma de estructuras nanotwinning en los nanocables de silicio policristalino para minimizar su transporte. Difusiones, por otra parte, son causados ​​por el desorden estructural inherente de un material, por lo que no se pueden reducir de esta manera. Sin embargo, eliminando el aporte de propagones, los investigadores esperan que la conductividad térmica de los nanocables de silicio policristalino pueda reducirse aún más en un 20%. Los investigadores planean perseguir este objetivo en trabajos futuros.

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