(a) Nei semiconduttori convenzionali, gli elettroni fluiscono dal lato caldo a quello freddo con bassa mobilità causata dall'impurità ionizzata. (b) Nel semiconduttore di nuova concezione senza l'impurità, 2DEG può fluire con elevata mobilità. Credito:Ohta H. et al., Scienze avanzate, 20 novembre 2017
Oltre il 60 per cento dell'energia prodotta dai combustibili fossili viene dispersa sotto forma di calore. La conversione dell'energia termoelettrica ha attirato molta attenzione come un modo per convertire il calore di scarto dalle centrali elettriche, fabbriche e automobili in elettricità. Però, le tecnologie attualmente disponibili necessitano di miglioramenti per diventare praticabili su scala industriale.
I ricercatori dell'Università di Hokkaido in Giappone hanno proposto l'uso di elettroni ad alta mobilità generati in un'interfaccia a semiconduttore chiamata gas di elettroni 2-D (2DEG), che può migliorare la capacità dei materiali termoelettrici di convertire l'energia termica in elettricità.
I ricercatori hanno realizzato un transistor sul 2DEG all'interfaccia tra due materiali semiconduttori, nitruro di gallio di alluminio e nitruro di gallio. Quando viene applicato un campo elettrico, le concentrazioni di 2DEG potrebbero essere modulate senza ridurre la sua elevata mobilità. Il "fattore di potenza" del 2DEG, " che è una misura della sua potenza elettrica, è da due a sei volte superiore alla maggior parte dei materiali termoelettrici all'avanguardia.
La conversione efficiente dell'energia termoelettrica richiede materiali con elevata conducibilità elettrica, bassa conducibilità termica, e una grande potenza termica che è alta tensione prodotta in risposta alla differenza di temperatura attraverso il materiale.
(In alto) Illustrazione schematica del transistor, che può controllare la densità di 2DEG all'interfaccia tra AlGaN e GaN. (In basso) Fotografia del transistor durante la misurazione. Credito:Ohta H. et al., Scienze avanzate, 20 novembre 2017
Le attuali tecniche di nanostrutturazione sono riuscite a ridurre significativamente la conduttività termica di questi materiali, migliorando così le loro prestazioni. Un fattore di potenza elevato è inoltre necessario per una generazione efficiente di energia, ma migliorarlo è stato limitato perché richiede un aumento simultaneo della potenza termica di un materiale e della sua conduttività elettrica, che è difficile. La conduttività elettrica è rimasta bassa a causa delle impurità ionizzate nel materiale che sopprimono la mobilità degli elettroni.
L'applicazione di un campo elettrico al transistor fabbricato dai ricercatori dell'Università di Hokkaido consente di modulare sia la potenza termica del materiale che la sua conduttività elettrica senza sopprimerne l'elevata mobilità.
"Anche se il dispositivo non può essere utilizzato come generatore termoelettrico perché è troppo sottile, l'approccio del gas di elettroni 2-D dovrebbe aprire strade per migliorare ulteriormente le prestazioni dei materiali termoelettrici all'avanguardia, " dice Hiromichi Ohta, l'autore principale dello studio pubblicato sulla rivista Scienze avanzate .
