La scienza innovativa è spesso il risultato di una vera collaborazione, con ricercatori in diversi campi, punti di vista ed esperienze che si uniscono in un modo unico. Uno di questi sforzi dei ricercatori della Clemson University ha portato a una scoperta che potrebbe cambiare il modo in cui la scienza dei termoelettrici va avanti.

assistente di ricerca laureato Prakash Parajuli; assistente professore di ricerca Sriparna Bhattacharya; e il direttore fondatore del Clemson Nanomaterials Institute (CNI) Apparao Rao (tutti membri del CNI nel Dipartimento di Fisica e Astronomia del College of Science) hanno lavorato con un team internazionale di scienziati per esaminare un materiale termoelettrico altamente efficiente in un modo nuovo, utilizzando la luce.

La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Scienze avanzate ed è intitolato "Alto zT e sua origine in singoli cristalli di GeTe drogati con Sb".

"I materiali termoelettrici convertono l'energia termica in energia elettrica utile; quindi, c'è molto interesse per i materiali che possono convertirlo in modo più efficiente, "Parajuli ha detto

Bhattacharya ha spiegato che la chiave per misurare i progressi nel campo è la figura del merito, indicato come zT, che è fortemente dipendente dalla proprietà dei materiali termoelettrici. "Molti materiali termoelettrici presentano uno zT di 1-1,5, che dipende anche dalla temperatura del materiale termoelettrico. Solo di recente sono stati segnalati materiali con uno zT di 2 o superiore."

"Questo pone la domanda, quanti altri materiali simili possiamo trovare, e qual è la scienza fondamentale che è nuova qui attraverso la quale si può ottenere uno zT maggiore di 2?" Ha aggiunto Rao. "La ricerca di base è il seme da cui cresce la ricerca applicata, e per rimanere in prima linea nella termoelettrica abbiamo collaborato con il team del professor Yang Yuan Chen presso l'Academia Sinica, Taiwan."

I team di Chen e Rao si sono concentrati sul germanio tellururo (GeTe), un materiale monocristallino.

"GeTe è interessante, ma il semplice GeTe senza doping non mostra proprietà entusiasmanti, " disse Bhattacharya. "Ma una volta che aggiungiamo un po' di antimonio, mostra buone proprietà elettroniche, così come conducibilità termica molto bassa."

Mentre altri hanno segnalato materiali a base di GeTe con alto zT, questi erano materiali policristallini. I policristalli hanno confini tra i tanti piccoli cristalli di cui sono formati. Mentre tali confini ostacolano favorevolmente il trasferimento di calore, mascherano l'origine dei processi fondamentali che portano a zT elevati.

"Qui, avevamo cristalli singoli di GeTe puri e drogati le cui proprietà termoelettriche non sono state riportate, Bhattacharya disse. "Pertanto, siamo stati in grado di valutare le proprietà intrinseche di questi materiali che sarebbero altrimenti difficili da decifrare in presenza di processi concorrenti. Questo potrebbe essere il primo cristallo GeTe con drogaggio di antimonio che ha mostrato queste proprietà uniche, principalmente la conduttività termica ultrabassa".

Questa bassa conduttività termica è stata una sorpresa, poiché la semplice struttura cristallina del materiale dovrebbe consentire al calore di fluire facilmente attraverso il cristallo.

"Gli elettroni trasportano il calore e l'elettricità, quindi se blocchi gli elettroni, non hai elettricità, "Parajuli ha detto. "Quindi, la chiave è bloccare il flusso di calore tramite le vibrazioni reticolari quantizzate note come fononi, mentre permette agli elettroni di fluire."

Il drogaggio di GeTe con la giusta quantità di antimonio può massimizzare il flusso di elettroni e ridurre al minimo il flusso di calore. Questo studio ha scoperto che la presenza di 8 atomi di antimonio per ogni 100 GeTe dà origine a un nuovo set di fononi, che riducono efficacemente il flusso di calore che è stato confermato sia sperimentalmente che teoricamente.

Il gruppo, insieme ai collaboratori che coltivavano i cristalli, ha eseguito misurazioni del trasporto elettronico e termico oltre ai calcoli della teoria del funzionale della densità per trovare questo meccanismo in due modi:in primo luogo, attraverso la modellazione, utilizzando i dati di conducibilità termica; secondo, attraverso la spettroscopia Raman, che sonda i fononi all'interno di un materiale.

"Questo è un punto di vista totalmente nuovo per la ricerca termoelettrica, " Ha detto Rao. "Siamo una specie di pionieri in questo modo, decodificando la conduttività termica nei termoelettrici con la luce. Quello che abbiamo trovato usando la luce concordava bene con quanto trovato attraverso le misurazioni del trasporto termico. La ricerca futura nel termoelettrico dovrebbe utilizzare la luce:è un metodo non distruttivo molto potente per chiarire il trasporto di calore nei termoelettrici. Fai brillare la luce sul campione, e raccogliere informazioni. Non stai distruggendo il campione."

Rao ha affermato che l'ampia gamma di competenze dei collaboratori è stata la chiave del loro successo. Il gruppo comprendeva Fengjiao Liu, un ex dottorato di ricerca studente presso CNI; Rahul Rao, Ricercatore Fisico presso il Laboratorio di Ricerca dell'Aeronautica Militare, Base aeronautica di Wright-Patterson; e Oliver Rancu, uno studente di liceo presso la South Carolina Governor's School for Science and Mathematics che ha lavorato con il team attraverso il programma SPRI (Summer Program for Research Interns) di Clemson. A causa della pandemia, il team ha lavorato con Rancu tramite Zoom, guidandolo con alcuni dei calcoli di Parajuli utilizzando un codice Matlab alternativo.

"Sono molto grato per l'opportunità di lavorare con i membri del team CNI questa estate, " disse Ranco, che viene da Anderson, Carolina del Sud. "Ho imparato così tante cose sia sulla fisica che sull'esperienza di ricerca in generale. È stato davvero impagabile, e questa pubblicazione di ricerca è solo un'altra aggiunta a un'esperienza già fantastica."

"Sono rimasto molto colpito da Oliver, " Ha aggiunto Parajuli. "Ha capito rapidamente la struttura necessaria per la teoria".