Il seleniuro di stagno monocristallino (SnSe) è un semiconduttore e un materiale termoelettrico ideale; può convertire direttamente il calore di scarto in energia elettrica o essere utilizzato per il raffreddamento. Quando un gruppo di ricercatori della Case Western Reserve University di Cleveland, Ohio, vide la struttura cristallina stratificata simile al grafene di SnSe, avevano uno di quei magici "aha!" momenti.

Il gruppo riferisce in Rivista di fisica applicata , che hanno immediatamente riconosciuto il potenziale di questo materiale per essere fabbricato in forme di nanostruttura. "Il nostro laboratorio ha lavorato su semiconduttori bidimensionali con strutture a strati simili al grafene, " disse Xuan Gao, un professore associato presso Case Western.

I nanomateriali con dimensioni nanometriche, come spessore e granulometria, hanno proprietà termoelettriche favorevoli. Ciò ha ispirato i ricercatori a coltivare nanofiocchi spessi nanometri e film sottili di SnSe per studiarne ulteriormente le proprietà termoelettriche.

Il lavoro del gruppo è incentrato sull'effetto termoelettrico. Studiano come la differenza di temperatura in un materiale può causare la ridistribuzione dei portatori di carica (elettroni o lacune) e generare una tensione attraverso il materiale, convertire l'energia termica in energia elettrica.

"L'applicazione di una tensione su un materiale termoelettrico può anche portare a un gradiente di temperatura, il che significa che puoi utilizzare materiali termoelettrici per il raffreddamento, " disse Gao. "In genere, i materiali con un alto valore di merito hanno un'elevata conducibilità elettrica, un alto coefficiente di Seebeck - tensione generata per Kelvin di differenza di temperatura all'interno di un materiale - e bassa conduttività termica, " Egli ha detto.

Una figura di merito termoelettrica, ZT, indica l'efficienza con cui un materiale converte l'energia termica in energia elettrica. Il lavoro del gruppo si concentra sul fattore di potenza, che è proporzionale a ZT e indica la capacità di un materiale di convertire energia, così hanno misurato il fattore di potenza dei materiali che hanno realizzato.

Per far crescere nanostrutture SnSe, hanno usato un processo di deposizione chimica da fase vapore (CVD). Hanno evaporato termicamente una fonte di polvere di seleniuro di stagno all'interno di un tubo di quarzo evacuato. Gli atomi di stagno e selenio reagiscono su un wafer di crescita di silicio o mica posto nella zona a bassa temperatura del tubo di quarzo. Questo fa sì che i nanoflakes di SnSe si formino sulla superficie del wafer. L'aggiunta di un elemento drogante come l'argento ai film sottili di SnSe durante la sintesi del materiale può ottimizzare ulteriormente le sue proprietà termoelettriche.

All'inizio, "i film sottili di nanostruttura SnSe che abbiamo fabbricato avevano un fattore di potenza di solo ~ 5% di quello del singolo cristallo SnSe a temperatura ambiente, " disse Shuhao Liu, un autore sulla carta. Ma, dopo aver provato una varietà di droganti per migliorare il fattore di potenza del materiale, hanno determinato che "l'argento era il più efficace, con conseguente miglioramento del fattore di potenza del 300 percento rispetto ai campioni non drogati, " Liu ha detto. "Il film sottile nanostrutturato SnSe drogato con argento promette un'alta cifra di merito".

Nel futuro, il ricercatore spera che le nanostrutture SnSe e i film sottili possano essere utili per miniaturizzati, ecologico, dispositivi termoelettrici e frigoriferi a basso costo.