I materiali termoelettrici (TE) potrebbero svolgere un ruolo chiave nelle tecnologie future. Sebbene le applicazioni di questi straordinari composti siano state a lungo esplorate, sono per lo più limitati a dispositivi ad alta temperatura. Recentemente, ricercatori dell'Università di Osaka, in collaborazione con Hitachi, srl, ha sviluppato un nuovo materiale TE con un fattore di potenza migliorato a temperatura ambiente. Il loro studio, pubblicato in Stato fisico Solidi RRL , potrebbe aiutare a portare questi materiali fuori dalla nicchia delle alte temperature e nel mainstream.

I materiali TE mostrano l'effetto termoelettrico:applicare il calore su un lato, e una corrente elettrica inizia a fluire. Al contrario, far passare una corrente esterna attraverso il dispositivo, e si forma un gradiente di temperatura; cioè., un lato diventa più caldo dell'altro. Interconvertendo calore ed elettricità, I materiali TE possono essere utilizzati come generatori di corrente (data una fonte di calore) o frigoriferi (data una fonte di energia).

Il materiale TE ideale combina un'elevata conduttività elettrica, lasciando scorrere la corrente, con bassa conducibilità termica, che impedisce al gradiente di temperatura di stabilizzarsi. Le prestazioni di generazione di energia dipendono principalmente dal "fattore di potenza, " che è proporzionale sia alla conduttività elettrica che a un termine chiamato coefficiente di Seebeck.

"Sfortunatamente, la maggior parte dei materiali TE sono spesso basati su elementi rari o tossici, ", afferma il co-autore Sora-at Tanusilp. "Per affrontare questo problema, abbiamo combinato silicio, che è comune nei materiali TE, con itterbio, per creare siliciuro di itterbio [YbSi ₂ ]. Abbiamo scelto l'itterbio rispetto ad altri metalli per diversi motivi. Primo, i suoi composti sono buoni conduttori elettrici. Secondo, YbSi ₂ non è tossico. Inoltre, questo composto ha una proprietà specifica chiamata fluttuazione di valenza che lo rende un buon materiale TE a basse temperature."

Il primo vantaggio di YbSi ₂ è che gli atomi di Yb occupano una miscela di stati di valenza, sia +2 che +3. Questa fluttuazione, nota anche come risonanza di Kondo, aumenta il coefficiente di Seebeck mantenendo un'elevata conduttività elettrica simile al metallo a bassa temperatura, e quindi il fattore di potenza.

Secondo, YbSi ₂ ha una struttura a strati insolita. Mentre gli atomi Yb occupano piani cristallini simili al metallo Yb puro, gli atomi di Si formano fogli esagonali tra quei piani, simile ai fogli di carbonio in grafite. Questo blocca la conduzione del calore attraverso il materiale, e quindi mantiene bassa la conducibilità termica, preservando il gradiente di temperatura. I ricercatori ritengono che la conduzione del calore venga ulteriormente soppressa controllando la struttura su scala nanometrica e le tracce di impurità e altri difetti.

Il risultato è un fattore di potenza incoraggiante di 2,2 mWm ^-1 K ^-2 a temperatura ambiente. Questo è competitivo con i materiali TE convenzionali a base di tellururo di bismuto. Come spiega l'autore corrispondente di questo studio Ken Kurosaki, "L'uso di Yb mostra che possiamo conciliare le esigenze contrastanti dei materiali TE attraverso un'attenta selezione dei metalli giusti. TE a temperatura ambiente, con potenza moderata, può essere visto come complementare all'alta temperatura convenzionale, dispositivi ad alta potenza. Questo potrebbe aiutare a sbloccare i vantaggi della TE nella tecnologia di tutti i giorni".