Proprio come un interruttore elettrico regola il flusso di corrente elettrica, gli interruttori termici possono controllare il flusso di calore. Questi interruttori fungono da dispositivi di controllo termico e sono utili per applicazioni di gestione termica. Ad esempio, possono essere utilizzati nelle industrie per ridurre il calore di scarto, con conseguente risparmio di costi ed energia. Questi interruttori richiedono materiali la cui conducibilità termica (κ) può essere modulata in larga misura. Ciò consentirebbe all'interruttore di avere uno stato "on" e "off" a seconda della conduttività termica. Tuttavia, tali materiali sono rari e difficili da sviluppare e quelli che sono stati sviluppati mostrano solo piccole variazioni reversibili nella loro κ.

Ora, in uno studio pubblicato su Materiali elettronici avanzati , i ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) e del National Institute for Materials Science, in Giappone, hanno portato le cose al livello successivo con un materiale che può ottenere una grande variazione nella sua κ cambiando la sua dimensionalità della struttura cristallina. Il team ha raggiunto questa straordinaria impresa utilizzando una soluzione solida di seleniuro di piombo (PbSe) e seleniuro di stagno (SnSe), che può passare da una struttura cristallina cubica tridimensionale (3D) a una struttura cristallina a strati bidimensionale (2D) con variazioni di temperatura.

Nei solidi, il calore è trasportato da due diversi processi, vale a dire le vibrazioni del reticolo cristallino e il flusso dei portatori di carica elettrica. Pertanto, la conducibilità termica di un solido dipende sia dalla struttura cristallina che dalla struttura elettronica.

Nel loro studio, i ricercatori sono stati in grado di ottenere diversi valori κ in a (Pb_0,5 Sn_0.5 )Se lega modificando la dimensionalità della struttura cristallina a causa delle diverse disposizioni degli atomi e dei gap di banda in ciascuna struttura cristallina rispetto all'altra. "Il materiale che abbiamo scelto per il nostro studio è costituito da policristalli sfusi di (Pb_0,5 Sn_0.5 )Se, che mostra un confine di fase diretto tra le strutture cristalline 3D e 2D. Abbiamo ottenuto questo risultato raffreddando termicamente la fase della soluzione solida ad alta temperatura a temperatura ambiente", spiega il professor Takayoshi Katase della Tokyo Tech, che è stato coinvolto nello studio.

I ricercatori potrebbero passare in modo reversibile tra le dimensionalità della struttura cristallina 3D e 2D del (Pb_0.5 Sn_0.5 )Se policristalli semplicemente riscaldando e raffreddando il materiale. Nello stato riscaldato, il materiale assumeva una struttura cristallina 3D con una struttura elettronica metallica, che si traduceva in un'elevata conduttività termica sia elettronica che reticolare. Una volta raffreddato, invece, è cambiato in una struttura cristallina 2D con una struttura elettronica semiconduttiva e un κ ampiamente ridotto. Ad una temperatura di 373 K (100°C), il κ per la fase 3D è risultato essere 3,6 volte superiore a quello per la fase 2D.

Questo nuovo approccio alla modifica di κ potrebbe aprire la strada alla progettazione di più materiali di questo tipo con potenziali applicazioni nella gestione termica. "Riteniamo che l'attuale strategia porterà a un nuovo concetto per la progettazione di materiale di commutazione termica modificando la dimensionalità della struttura cristallina attraverso i limiti di fase di non equilibrio", afferma il prof. Katase. + Esplora ulteriormente

Gigantesco cambiamento della conducibilità elettronica guidato da un interruttore artificiale della dimensionalità del cristallo