Un effetto di tintinnio collettivo recentemente scoperto in un tipo di semiconduttore cristallino blocca la maggior parte del trasferimento di calore preservando un'elevata conduttività elettrica - un raro abbinamento che secondo gli scienziati potrebbe ridurre l'accumulo di calore nei dispositivi elettronici e nei motori a turbina, tra le altre possibili applicazioni.

Un team guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha scoperto questi tratti esotici in una classe di materiali noti come perovskiti ad alogenuri, che sono anche considerati candidati promettenti per i pannelli solari di nuova generazione, laser su scala nanometrica, raffreddamento elettronico, e display elettronici.

Queste proprietà termiche ed elettriche (o "termoelettriche") correlate sono state trovate in fili su scala nanometrica di ioduro di cesio e stagno (CsSnI ₃ ). È stato osservato che il materiale ha uno dei livelli più bassi di conduttività termica tra i materiali con una struttura cristallina continua.

Questo cosiddetto materiale monocristallino può anche essere prodotto più facilmente in grandi quantità rispetto ai tipici materiali termoelettrici, come silicio-germanio, ricercatori hanno detto.

"Le sue proprietà provengono dalla stessa struttura cristallina. È un fenomeno di tipo atomico, " disse Woochul Lee, un ricercatore post-dottorato al Berkeley Lab che è stato l'autore principale dello studio, pubblicato la settimana del 31 luglio nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze rivista. Questi sono i primi risultati pubblicati relativi alle prestazioni termoelettriche di questo materiale monocristallino.

I ricercatori in precedenza pensavano che le proprietà termiche del materiale fossero il prodotto di atomi "ingabbiati" che sferragliavano all'interno della struttura cristallina del materiale, come era stato osservato in alcuni altri materiali. Tale tintinnio può servire a interrompere il trasferimento di calore in un materiale.

"Inizialmente pensavamo che fossero atomi di cesio, un elemento pesante, muoversi nel materiale, " disse Peidong Yang, uno scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab che ha guidato lo studio.

Jeffrey Grossman, un ricercatore presso il Massachusetts Institute of Technology, ha quindi eseguito alcuni lavori teorici e simulazioni computerizzate che hanno aiutato a spiegare ciò che il team aveva osservato. I ricercatori hanno anche utilizzato la fonderia molecolare del Berkeley Lab, specializzata nella ricerca su nanoscala, nello studio.

"Crediamo che ci sia essenzialmente un meccanismo di tintinnio, non solo con il cesio. È la struttura complessiva che fa rumore; è un tintinnio collettivo, " disse Yang. "Il meccanismo di tintinnio è associato alla struttura cristallina stessa, " e non è il prodotto di un insieme di minuscole gabbie di cristallo. "È il movimento atomico di gruppo, " Ha aggiunto.

All'interno della struttura cristallina del materiale, la distanza tra gli atomi si riduce e cresce in modo collettivo che impedisce al calore di fluire facilmente.

Ma poiché il materiale è composto da un ordinato, struttura monocristallina, la corrente elettrica può ancora fluire attraverso di essa nonostante questo tintinnio collettivo. Immagina che la sua conduttività elettrica sia come un sottomarino che viaggia dolcemente in calme correnti sottomarine, mentre la sua conducibilità termica è come una barca a vela sballottata in superficie dal mare grosso.

Yang ha affermato che due importanti applicazioni per i materiali termoelettrici sono il raffreddamento, e nel convertire il calore in corrente elettrica. Per questo particolare materiale di ioduro di cesio e stagno, applicazioni di raffreddamento come un rivestimento per aiutare a raffreddare i sensori della fotocamera elettronica possono essere più facili da ottenere rispetto alla conversione da calore a elettrico, Egli ha detto.

Una sfida è che il materiale è altamente reattivo all'aria e all'acqua, quindi richiede un rivestimento protettivo o un incapsulamento per funzionare in un dispositivo.

Lo ioduro di cesio e stagno è stato scoperto per la prima volta come materiale semiconduttore decenni fa, e solo negli ultimi anni è stato riscoperto per altri suoi tratti unici, ha detto Yang. "Si scopre che è un'incredibile miniera d'oro di proprietà fisiche, " ha osservato.

Per misurare la conducibilità termica del materiale, i ricercatori hanno collegato due isole di un materiale di ancoraggio con un nanofilo di ioduro di cesio e stagno. Il nanofilo era collegato alle due estremità a micro-isole che fungevano sia da riscaldatore che da termometro. I ricercatori hanno riscaldato una delle isole e misurato con precisione come il nanofilo ha trasportato il calore sull'altra isola.

Hanno anche eseguito la microscopia elettronica a scansione per misurare con precisione le dimensioni del nanofilo. Hanno usato queste dimensioni per fornire una misura precisa della conduttività termica del materiale. Il team ha ripetuto l'esperimento con diversi materiali di nanofili e più campioni di nanofili per confrontare le proprietà termoelettriche e verificare le misurazioni della conduttività termica.

"Un passo successivo è legare questo materiale (ioduro di cesio e stagno), " Lee ha detto. "Questo può migliorare le proprietà termoelettriche".

Anche, proprio come i produttori di chip per computer impiantano una serie di elementi nei wafer di silicio per migliorare le loro proprietà elettroniche - un processo noto come "doping" - gli scienziati sperano di utilizzare tecniche simili per sfruttare più pienamente le caratteristiche termoelettriche di questo materiale semiconduttore. Questo è un territorio relativamente inesplorato per questa classe di materiali, ha detto Yang.