Il raffreddamento termoelettrico è un processo di refrigerazione allo stato solido in cui il calore in un materiale elettricamente conduttivo viene trasferito utilizzando gli elettroni di conduzione del materiale senza bisogno di refrigeranti gassosi, come i clorofluorocarburi, utilizzati nella refrigerazione convenzionale. I refrigeratori basati sulla tecnologia termoelettrica possono essere ridimensionati senza modificare la loro efficienza di conversione dell'energia termica in elettrica e questo è un grande vantaggio per il raffreddamento localizzato di piccoli dispositivi elettronici. Questo effetto è già utilizzato per il controllo della temperatura in dispositivi come sensori a infrarossi e diodi laser, ed è stato anche utilizzato per fornire refrigerazione a bassa temperatura per dispositivi elettronici criogenici come sensori superconduttori.

Però, la mancanza di materiali con un'adeguata efficienza termoelettrica per applicazioni pratiche di raffreddamento a temperature inferiori a 250 K (circa -23°C) ha spinto i ricercatori dell'Università di Nagoya a esaminare l'efficacia di nuovi composti per applicazioni a temperature veramente basse.

"Abbiamo studiato le proprietà termoelettriche di cristalli simili a baffi composti da un composto di tantalio, silicio e tellurio, ", afferma l'autore corrispondente Yoshihiko Okamoto del Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Nagoya. "Questi cristalli hanno prodotto poteri termoelettrici molto elevati in un ampio intervallo di temperature, dal livello criogenico di 50 K (che è circa -223°C) fino alla temperatura ambiente, ma ha comunque mantenuto la bassa resistività elettrica necessaria per le applicazioni pratiche di raffreddamento." I campioni coltivati ​​​​per gli esperimenti includevano Ta4SiTe4 puro e altri cristalli drogati chimicamente con bassi livelli di molibdeno e antimonio.

Varie proprietà dei materiali sono state misurate per i campioni, compresa l'energia termoelettrica, resistività elettrica, e conducibilità termica, confrontare gli effetti dei due droganti sulle loro caratteristiche termoelettriche. "Abbiamo misurato un fattore di potenza termoelettrica molto elevato a una temperatura ottimale di 130 K, " aggiunge Okamoto. "Tuttavia, questa temperatura ottimale potrebbe essere controllata in un intervallo molto ampio variando il drogaggio chimico, e indica che questi cristalli sono adatti per un uso pratico a bassa temperatura."

L'aggiunta di appena lo 0,1 percento di drogaggio di molibdeno ha causato una drastica diminuzione della resistività dei cristalli di tipo tellururo a basse temperature, mentre hanno anche dimostrato elevate potenze termoelettriche strettamente legate alle strutture elettroniche fortemente unidimensionali dei materiali. I fattori di potenza dei cristalli a temperatura ambiente hanno ampiamente superato i corrispondenti valori delle leghe convenzionali a base di Bi2Te3 comunemente utilizzate nelle applicazioni termoelettriche, e questi cristalli rappresentano quindi una strada molto promettente verso lo sviluppo di soluzioni di raffreddamento termoelettrico ad alte prestazioni a temperature molto basse.