Un team di fisici della Clemson University composto da scienziati di nanomateriali Apparao Rao e Ramakrishna Podila e termoelettrici Terry Tritt, Jian He e Pooja Puneet hanno lavorato in sinergia attraverso il Clemson Nanomaterials Center di recente costituzione per sviluppare una nuova tecnica di personalizzazione delle proprietà termoelettriche del tellururo di bismuto di tipo n per prestazioni termoelettriche elevate.

I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Rapporti scientifici .

L'attuale economia energetica e l'ambiente degli Stati Uniti sono sempre più minacciati dalla rapida diminuzione delle riserve nazionali di combustibili fossili, insieme al grave impatto ambientale della combustione di combustibili fossili. Si prevede che i dispositivi termoelettrici ad alta efficienza forniranno tecnologie energetiche pulite, esigenze del momento per la sostenibilità energetica degli Stati Uniti. Questa ricerca è un passo verso l'ottimizzazione delle prestazioni del dispositivo poiché delinea una metodologia per superare una sfida che fino ad oggi ha "frustrato" i ricercatori termoelettrici.

I dispositivi termoelettrici (TE) convertono il calore di scarto in elettricità attraverso la proprietà di un materiale unico chiamata effetto Seebeck. Fondamentalmente, l'effetto Seebeck si traduce in una tensione ai due capi di un materiale TE, simile alla tensione presente ai due capi di una batteria AA, quando il materiale TE è adeguatamente esposto al calore di scarto. In tali dispositivi, l'efficienza della conversione del calore in elettricità è regolata da alcune proprietà dei materiali fortemente accoppiate, cioè., resistività elettrica, coefficiente di Seebeck, e conducibilità termica. Un dispositivo TE funzionale è costituito da più gambe costituite da materiali di tipo p e di tipo n, proprio come un diodo comprende una giunzione p-n.

Il tellururo di bismuto (Bi2Te3) è un materiale stratificato e può essere visto come un mazzo di carte da gioco, in cui ogni carta è spessa solo pochi atomi. Bi2Te3 è attualmente considerato il materiale TE all'avanguardia ad alta efficienza per convertire il calore di scarto in elettricità, ed è quindi attraente per i processi di raccolta di energia.

I metodi tradizionali di nanodimensionamento non sono riusciti a migliorare le prestazioni del Bi2Te3 di tipo n poiché hanno semplicemente declassato tutte le proprietà dei materiali contemporaneamente. Perciò, I ricercatori e i colleghi di Clemson hanno sviluppato un nuovo metodo di nanodimensionamento in cui per prima cosa peliamo il Bi2Te3 di tipo n in fogli atomicamente sottili (simile al grafene che è un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo) e li ricomponiamo utilizzando un processo di sinterizzazione al plasma a scintilla.

I ricercatori hanno scoperto che il processo in due fasi sopra descritto di separare prima il mazzo di carte in singole carte e poi riassemblarle in un mazzo tramite sinterizzazione al plasma a scintilla ci consente di adattare adeguatamente le proprietà dei materiali di Bi2Te3 di tipo n per alte Prestazioni TE. In questo approccio, i cosiddetti "difetti caricati interfacciali" sono generati nel Bi2Te3 sinterizzato di tipo n che non solo migliora le sue proprietà strutturali ma anche la sua efficienza termoelettrica su un'ampia finestra di temperatura, rendendolo così estremamente compatibile con Bi2Te3 di tipo p per la produzione di dispositivi TE efficienti.

Il fattore di compatibilità migliorato (dimostrato in questo documento) dovrebbe aprire nuove possibilità per dispositivi TE altamente efficienti. L'elemento affascinante e degno di nota di questa ricerca è che i difetti, che spesso connotano impurità e sono associati a basse prestazioni o efficienza, può infatti essere utilizzato per regolare le proprietà dei materiali a nostro vantaggio.

La comunità scientifica di oggi non ha una comprensione completa dei difetti, principalmente per l'assenza di metodi in grado di generare e manipolare i difetti in modo controllabile. Il futuro di questa ricerca sarà finalizzato allo sviluppo di strumenti per generare e studiare i difetti a un livello fondamentale che a sua volta consentirà ai ricercatori di ottimizzare le proprietà dei materiali non solo dei materiali TE ma anche di una nuova classe di materiali bidimensionali oltre il Nobel grafene vincente per la generazione e lo stoccaggio di energia.