Negli ultimi anni, il consumo di energia nei paesi sviluppati è stato piuttosto dispendioso. Quasi i due terzi dell'energia totale viene in genere scaricata nell'ambiente come "calore disperso, " che finisce per contribuire al riscaldamento globale. Trovare un modo per utilizzare in modo produttivo questo calore è stata in prima linea nella priorità di ogni ricercatore di materiali.

Uno dei vari modi possibili per recuperare questo calore di scarto sotto forma di elettricità è utilizzare la cosiddetta "conversione termoelettrica", un processo che utilizza la differenza di temperatura nei semiconduttori per convertirsi direttamente in tensione elettrica. I dispositivi termoelettrici includono semiconduttori di tipo p e di tipo n con due tipi di portatori di carica, cioè elettrone e lacuna. I semiconduttori di tipo p e di tipo n sono collegati in serie per produrre una grande tensione termoelettrica. Perciò, è necessario sviluppare semiconduttori sia di tipo p che di tipo n ad alta efficienza di conversione termoelettrica.

Un particolare materiale semiconduttore a cui gli scienziati hanno recentemente rivolto la loro attenzione è il monoselenide di stagno (SnSe), che secondo quanto riferito mostra il valore ZT dell'indice di prestazione di conversione termoelettrica più alto al mondo. Però, SnSe non è in grado di controllare facilmente il tipo di portante di carica. Il drogaggio con ioni alcalini migliora le prestazioni termoelettriche di tipo p ma gli ioni alcalini sono elementi volatili e diffusivi, e non sono adatti per applicazioni ad alta temperatura. Aggiungendo bismuto e iodio per renderlo di tipo n, d'altra parte, determina basse concentrazioni di elettroni.

In un nuovo studio pubblicato su Materiali funzionali avanzati , un team di scienziati della Tokyo Tech, Giappone, guidato dal Prof. Takayoshi Katase ha scoperto che quando drogato con antimonio (Sb), SnSe, indicato come (Sn _1-x Sb _X ) Se, presenta una peculiare commutazione di tipo di conduzione. Nello specifico, il team ha osservato che a basse concentrazioni di doping, (Sn _1-x Sb _X )Se ha iniziato con la conduzione di tipo p ma è passato al tipo n con l'aumento del doping, e infine tornato al tipo p per alte concentrazioni. Le analisi e i calcoli elaborati hanno rivelato un interessante meccanismo di commutazione del tipo di carica che, la squadra ha trovato, ha a che fare con la distribuzione dei siti di sostituzione di Sb tra Sn e Se. Hanno attribuito questo comportamento di commutazione a uno spostamento del principale sito di sostituzione Sb da Se (Sb _Vedi ) a Sn (Sb _Sn ) con l'aumento del doping.

Gli scienziati hanno spiegato che a concentrazioni di Sb molto basse, la conduzione di tipo p avviene esclusivamente a causa di fori forniti da Sn vacante. Ma con l'aumento del doping, Sb _Sn inizia a donare elettroni mentre Sb _Vedi forma una "banda di impurità" che consente la conduzione attraverso di essa, con conseguente comportamento di tipo n osservato. Però, man mano che il livello di doping aumenta ulteriormente, il livello di Fermi si avvicina al livello midgap situato tra il Sb _Vedi banda di impurità e banda di conduzione minima, con conseguente conduzione di tipo p.

Con tali notevoli intuizioni da offrire, i risultati sono senza dubbio un potenziale punto di svolta per SnSe. Però, Il prof. Takase prevede un ambito ancora più ampio. "Ora che abbiamo compreso il meccanismo in gioco nella commutazione di polarità del SnSe drogato con Sb, possiamo sperare di ottimizzare il processo di sintesi di massa per migliorare ulteriormente le sue prestazioni termoelettriche e, a sua volta, realizzare con esso dispositivi di conversione termoelettrica ad alte prestazioni, " ipotizza il prof. Katase.

Cosa c'è di più, i ricercatori si aspettano anche che il controllo della polarità basato sulla commutazione del sito di drogaggio diventerà più versatile in futuro e potrà essere applicato ad altri materiali semiconduttori i cui tipi di portatori sono difficili da controllare in altro modo. Speriamo che questo porti a un futuro in cui il calore disperso non sarà più uno spreco!