Los materiales termoeléctricos tienen la capacidad de generar electricidad cuando se les aplica una diferencia de temperatura. Por el contrario, también pueden generar un gradiente de temperatura cuando se les aplica corriente. Por lo tanto, se espera que estos materiales encuentren uso como generadores de energía de dispositivos electrónicos y enfriadores o calentadores de dispositivos de control de temperatura. Para desarrollar estas aplicaciones se requiere de un material termoeléctrico que presente un alto voltaje termoeléctrico (denominado termopotencia S), aún aplicando baja energía térmica. Sin embargo, los materiales termoeléctricos convencionales exhiben una alta eficiencia de conversión a altas temperaturas, mientras que solo hay unos pocos candidatos que muestran un alto rendimiento de conversión por debajo de la temperatura ambiente.

Recientemente, un equipo de investigadores de Tokyo Tech, dirigido por el profesor asociado Takayoshi Katase, desarrolló un nuevo método para mejorar significativamente S a bajas temperaturas. En un artículo reciente publicado en Nano Letters , el equipo informó una mejora inusualmente grande de S observada en estructuras laminadas hechas de una película ultrafina del óxido de metal de transición LaNiO₃ intercalado entre dos capas aislantes de LaAlO₃ .

"Aclaramos que el aumento inesperado en S no fue causado por el fenómeno termoeléctrico habitual, sino por el "efecto de arrastre de fonones" que surge de la fuerte interacción de electrones y fonones. Si el efecto de arrastre de fonones es fuerte, los fonones que fluyen pueden impulsar el electrones para producir voltaje termoeléctrico adicional cuando se aplica una diferencia de temperatura. Este fenómeno no se observa en LaNiO₃ a granel pero aparece al reducir el espesor de la capa de LaNiO₃ película y confinándola entre aislamiento LaAlO₃ capas", explicó el Dr. Katase.

Al reducir el espesor de LaNiO₃ películas hasta solo 1 nm y colocando la película entre LaAlO₃ capas, el equipo pudo mejorar S al menos 10 veces. Esta mejora fue observable para una amplia gama de temperaturas de hasta 220 K. Los análisis experimentales revelaron que el efecto de arrastre de fonones se originó a partir de una interacción electrón-fonón mejorada por electrones masivos confinados en el LaNiO₃ capa y los fonones que fluyen se escapan de la parte superior e inferior de LaAlO₃ capas.

"Los hallazgos de este estudio se pueden utilizar para explorar nuevos materiales termoeléctricos de alto rendimiento mediante el diseño de estructuras laminadas de diferentes óxidos que pueden mejorar la generación de energía y la utilización de combustible", concluye el Dr. Katase. + Explora más

Romper el problema de compensación que limita la eficiencia de conversión termoeléctrica del calor residual