Le impurità, spesso considerate indesiderabili nei materiali, a volte possono svolgere un ruolo cruciale nel migliorarne le proprietà. Questo fenomeno è esemplificato nei materiali termoelettrici, che convertono le differenze di temperatura in elettricità. Introducendo strategicamente specifici tipi di impurità a livello atomico, gli scienziati hanno scoperto un modo per migliorare significativamente le prestazioni termoelettriche di questi materiali.

I materiali termoelettrici si basano sul movimento di portatori di carica (elettroni o lacune) e di vettori di calore (fononi) per generare elettricità. L'efficienza di questo processo di conversione è determinata da due fattori chiave:la conduttività elettrica e la conduttività termica. Idealmente, un buon materiale termoelettrico dovrebbe avere un’elevata conduttività elettrica per facilitare il trasporto della carica e allo stesso tempo possedere una bassa conduttività termica per ridurre al minimo la perdita di calore.

Tuttavia, raggiungere questo equilibrio può essere difficile. Nella maggior parte dei materiali, l’aumento della conduttività elettrica spesso porta anche ad un aumento della conduttività termica. Questo compromesso è noto come legge di Wiedemann-Franz.

Le impurità possono rompere questa correlazione introducendo ulteriori meccanismi di diffusione per i fononi, i trasportatori di calore. Quando i fononi incontrano queste impurità, il loro movimento viene interrotto, riducendo la conduttività termica. Allo stesso tempo, la presenza di impurità può migliorare la conduttività elettrica introducendo nuovi stati energetici che facilitano il trasporto dei portatori di carica.

Questo concetto di ingegneria delle impurità è stato dimostrato con successo in vari materiali termoelettrici. Ad esempio, nel materiale ampiamente studiato tellururo di bismuto (Bi2Te3), è stato dimostrato che l'introduzione di piccole quantità di impurità come selenio (Se) o antimonio (Sb) migliora significativamente le sue prestazioni termoelettriche.

Queste impurità introducono stati risonanti vicino al livello di Fermi, che migliorano la conduttività elettrica aumentando la densità dei portatori di carica disponibili. Inoltre, le impurità disperdono i fononi, riducendo la conduttività termica. Di conseguenza, l’efficienza termoelettrica complessiva di Bi2Te3 risulta migliorata.

Un altro esempio di successo dell’ingegneria delle impurità è l’aggiunta di elementi delle terre rare come l’itterbio (Yb) o l’erbio (Er) al tellururo di piombo (PbTe). Queste impurità introducono stati elettronici localizzati che migliorano la conduttività elettrica, mentre le loro masse atomiche pesanti contribuiscono alla diffusione dei fononi, riducendo la conduttività termica.

Selezionando e controllando attentamente il tipo e la concentrazione delle impurità, gli scienziati possono personalizzare le proprietà dei materiali termoelettrici a livello atomico, raggiungendo un delicato equilibrio tra conduttività elettrica e conducibilità termica. Questo approccio è molto promettente per lo sviluppo di materiali termoelettrici ad alte prestazioni per applicazioni efficienti di conversione dell’energia, come il recupero del calore di scarto e la generazione di energia portatile.

In conclusione, le impurità, spesso percepite come dannose, possono effettivamente essere benefiche quando si tratta di materiali termoelettrici. Introducendo impurità specifiche a livello atomico, gli scienziati possono migliorare la conduttività elettrica riducendo contemporaneamente la conduttività termica, migliorando in definitiva l'efficienza termoelettrica complessiva di questi materiali. Questo concetto di ingegneria delle impurità apre strade entusiasmanti per la progettazione e l’ottimizzazione dei dispositivi termoelettrici di prossima generazione.