(Phys.org)—I ricercatori hanno teoricamente dimostrato il tasso più basso di trasferimento di calore, o conducibilità termica, in qualsiasi materiale a base di silicio sviluppato finora.

Il nuovo materiale, che è un nanofilo di silicio policristallino, rompe due limiti:il limite di Casimir e il limite amorfo. Il limite di Casimir è una teoria che descrive la conducibilità termica delle nanostrutture, e romperlo significa che la conducibilità termica del nuovo materiale è inferiore al valore previsto dalla teoria del limite di Casimir. Il limite amorfo è considerato come la più bassa conducibilità termica di un materiale, poiché le strutture amorfe disperdono fortemente i portatori di calore. Però, grazie al suo design unico su nanoscala, il nanofilo di silicio policristallino ha una conducibilità termica tre volte inferiore a quella dei materiali in silicio amorfo.

I ricercatori, Yanguang Zhou e Ming Hu alla RWTH Aachen University in Germania, hanno pubblicato un articolo sul nanofilo di silicio policristallino in un recente numero di Nano lettere .

I ricercatori si aspettano che il nuovo materiale possa essere particolarmente utile per le applicazioni termoelettriche. Trasformando l'energia termica in energia elettrica, i materiali termoelettrici forniscono un modo per catturare parte del calore di scarto emesso dai tubi di scappamento dei veicoli, centrali elettriche, e impianti di produzione, e poi convertire il calore in energia utile.

Generalmente, buoni materiali termoelettrici sono quelli che hanno contemporaneamente un'elevata conduttività elettronica e una bassa conduttività termica. Insieme, queste due proprietà portano ad un'elevata efficienza complessiva di conversione calore-elettricità. Nel nuovo studio, i ricercatori si sono concentrati sulla diminuzione della conduttività termica mantenendo la già elevata conduttività elettronica dei materiali in silicio.

"In questo documento, segnaliamo una nuova struttura, nanofilo policristallino, che può ridurre la conducibilità termica a un valore record basso, solo un terzo della sua controparte amorfa, "Zhou ha detto Phys.org . "Se manteniamo costanti la conducibilità elettrica e il coefficiente di Seebeck, che può essere ottenuto drogando il materiale, l'efficienza del nanofilo policristallino per convertire il calore in elettricità può essere aumentata di 277 volte rispetto alla sua controparte di massa".

La chiave per la bassa conduttività termica del nuovo nanofilo di silicio è la sua forma policristallina, che consiste di molte strutture cristalline di varie forme e dimensioni in orientamenti casuali. Sulla base della granulometria media (circa 3 nm) nei nanofili di silicio policristallino, il limite di Casimir prevede che la conducibilità termica non possa essere inferiore a circa 3 W/mK. Ma le simulazioni dei ricercatori mostrano che i nanofili di silicio policristallino hanno una conduttività termica di appena 0,7 W/mK. Per confronto, questo valore è 269 volte inferiore a quello del silicio sfuso, 77 volte inferiore a quello dei nanofili di silicio incontaminati, e tre volte inferiore a quello dei nanofili di silicio amorfo.

I ricercatori spiegano che una caratteristica importante della struttura policristallina è che i confini dei grani tra i cristalli sono discontinui. Di conseguenza, i bordi di grano bloccano e disperdono i fononi che trasportano il calore, in modo che i fononi non possano spostarsi molto lontano (solo circa 1 nm) attraverso il materiale rispetto a quanto possono spostarsi in altri materiali di silicio (fino a 1 µm), in cui i bordi di grano formano una rete continua.

I risultati qui sollevano la questione di quale possa essere la conduttività termica più bassa possibile per i nanofili di silicio di qualsiasi forma. Generalmente, ci sono due tipi di vibrazioni che contribuiscono alla conducibilità termica:propagoni e diffusoni. I ricercatori si aspettano che dovrebbe essere possibile eliminare completamente il contributo dei propagoni incorporando disordine sotto forma di strutture nanotwinned nei nanofili di silicio policristallino per ridurre al minimo il loro trasporto. Diffusioni, d'altra parte, sono causati dal disordine strutturale intrinseco di un materiale, quindi non possono essere ridotti in questo modo. Tuttavia, eliminando il contributo dei propagoni, i ricercatori si aspettano che la conduttività termica dei nanofili di silicio policristallino possa essere ulteriormente ridotta del 20%. I ricercatori intendono perseguire questo obiettivo in lavori futuri.

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