Figura. (a) Diagramma schematico che mostra il concetto di generazione termoelettrica trasversale guidata da Seebeck (STTG). La corrente di carica indotta dall'effetto Seebeck nel materiale termoelettrico genera una grande tensione termoelettrica nel materiale magnetico nella direzione perpendicolare ad un gradiente di temperatura. (b) Tensione termoelettrica trasversale in funzione del rapporto dimensionale tra i materiali termoelettrici e magnetici. Le curve solide sono state calcolate utilizzando i nostri modelli fenomenologici che descrivono la STTG e i simboli quadrati sono stati misurati negli esperimenti. (c) Schema della struttura del campione. (d) Confronto tra la potenza termica trasversale per il semplice Co2MnGa, in cui compare solo l'effetto Nernst anomalo (ANE), e la struttura ibrida Co2MnGa-Si, in cui appaiono contemporaneamente sia STTG che ANE. Credito:Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali
Un team di ricerca NIMS ha ideato un nuovo meccanismo di generazione termoelettrica con una struttura ibrida composta da materiali termoelettrici e magnetici. Il team ha quindi effettivamente fabbricato questa struttura e ha osservato la potenza termica record che appare nella direzione perpendicolare a un gradiente di temperatura (cioè, generazione termoelettrica trasversale). Questi risultati possono offrire spunti su nuovi meccanismi e progetti strutturali applicabili allo sviluppo di tecnologie versatili di raccolta dell'energia e sensori di flusso di calore altamente sensibili.
L'effetto Seebeck è un fenomeno in cui un gradiente di temperatura attraverso un metallo o un semiconduttore viene convertito in una tensione termoelettrica. Poiché questo effetto può essere utilizzato per convertire il calore di scarto in energia elettrica, sue potenziali applicazioni (es. fonti di alimentazione autonome per dispositivi IoT) sono stati ampiamente studiati. Però, La generazione termoelettrica guidata dall'effetto Seebeck presenta degli svantaggi:una potenza termoelettrica viene generata lungo la direzione di un gradiente di temperatura (cioè, generazione termoelettrica longitudinale). A causa di questa relazione parallela, un materiale termoelettrico deve essere esteso nella direzione di un gradiente di temperatura per creare grandi differenze di temperatura e una conseguente grande tensione termoelettrica. Per di più, nei dispositivi Seebeck convenzionali, per potenziare una tensione termoelettrica è necessaria una struttura complessa composta da una connessione seriale di molte coppie di due diversi materiali termoelettrici. Però, queste disposizioni aumentano i costi di produzione, rendere il materiale/struttura meno durevole, e limitarne l'applicabilità pratica. In contrasto, l'effetto anomalo di Nernst, un fenomeno termoelettrico che si verifica solo nei materiali magnetici, può generare una tensione termoelettrica perpendicolare alla direzione di un gradiente di temperatura. Questo effetto può quindi consentire la generazione di una potenza termica in direzione trasversale, e la tensione termoelettrica può essere aumentata semplicemente aumentando la lunghezza del materiale nella direzione perpendicolare ad un gradiente di temperatura. Si prevede che i materiali termoelettrici estesi trasversalmente abbiano una flessibilità significativamente maggiore quando integrati nei moduli e compensino i suddetti svantaggi relativi all'effetto Seebeck. Però, è stato dimostrato che l'effetto anomalo di Nernst genera solo una potenza termica molto piccola, inferiore a 10 μV/K a temperatura quasi ambiente, rendendo difficile la sua applicazione pratica.
In questo progetto di ricerca, il team di ricerca ha ideato e dimostrato un nuovo meccanismo di generazione termoelettrica in cui una termopotenza longitudinale indotta dall'effetto Seebeck in un materiale termoelettrico può essere convertita in una termopotenza trasversale in un materiale magnetico tramite l'effetto Hall anomalo. Il team ha quindi simulato questo meccanismo sulla base di calcoli del modello fenomenologico e ha scoperto che è potenzialmente in grado di generare una potenza termica molto elevata oltre 100 μV/K perpendicolare alla direzione di un gradiente di temperatura quando i materiali e le strutture sono ottimizzati. Per verificare sperimentalmente questo risultato, il team ha fabbricato una struttura ibrida composta da Co2MnGa, un composto magnetico in grado di produrre il grande effetto Hall anomalo, e Si semiconduttore in grado di produrre il grande effetto Seebeck. Questa struttura ha generato le potenze termiche trasversali positive e negative record (+82 μV/K e -41 μV/K). La grandezza e il segno delle potenze termometriche misurate sono ben riprodotti dalla previsione basata sui calcoli del modello. La capacità di generazione termoelettrica del composito può essere ulteriormente migliorata mediante l'ottimizzazione del materiale e della struttura.
La potenza termica osservata in questo progetto era più di 10 volte maggiore della potenza termica più elevata precedentemente registrata generata dall'effetto anomalo di Nernst. Si prevede che questo risultato farà avanzare in modo significativo gli sforzi di ricerca e sviluppo volti a mettere in pratica la generazione termoelettrica trasversale. Negli studi futuri, we plan to research and develop effective magnetic and thermoelectric materials, create composite structures using these materials, and optimize their structures. We will then use these hybrid materials to develop energy harvesting technologies capable of powering IoT devices and heat flux sensors that can be used for energy-saving purposes.
This research was published in the online version of Materiali della natura , a British scientific journal, at 1:00 am on January 19, 2021, Japan Time (4:00 pm on January 18, GMT).
