I materiali termoelettrici consentiranno la conversione efficiente del calore industriale di scarto in elettricità. Ma per creare materiali termoelettrici efficaci, la loro fisica sottostante deve essere ben compresa. Credito:Macrovector su Freepik
Materiali termoelettrici, che può generare una tensione elettrica in presenza di una differenza di temperatura, sono attualmente un'area di intensa ricerca; la tecnologia di raccolta dell'energia termoelettrica è tra le nostre migliori possibilità di ridurre notevolmente l'uso di combustibili fossili e aiutare a prevenire una crisi energetica mondiale. Però, esistono vari tipi di meccanismi termoelettrici, alcuni dei quali sono meno compresi nonostante i recenti sforzi. Un recente studio condotto da scienziati in Corea mira a colmare una tale lacuna nella conoscenza.
Uno di questi meccanismi menzionati in precedenza è l'effetto di spin Seebeck (SSE), che è stato scoperto nel 2008 da un gruppo di ricerca guidato dal professor Eiji Saitoh dell'Università di Tokyo, Giappone. L'SSE è un fenomeno in cui una differenza di temperatura tra un materiale non magnetico e un materiale ferromagnetico crea un flusso di spin. Ai fini della raccolta di energia termoelettrica, l'inverso SSE è particolarmente importante. In certe eterostrutture, come l'ittrio ferro granato-platino (YIG/Pt), il flusso di spin generato da una differenza di temperatura si trasforma in una corrente con carica elettrica, offrendo un modo per generare elettricità dall'SSE inverso.
Poiché questa conversione da spin a carica è relativamente inefficiente nella maggior parte dei materiali noti, i ricercatori hanno provato a inserire uno strato atomicamente sottile di bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ) tra gli strati YIG e Pt. Sebbene questo approccio abbia portato a una maggiore conversione, i meccanismi alla base del ruolo del MoS . 2-D 2 strato nel trasporto di spin rimane sfuggente.
Per colmare questa lacuna conoscitiva, Professor Sang-Kwon Lee del Dipartimento di Fisica dell'Università di Chung-Ang, Corea, ha recentemente condotto uno studio approfondito sul tema, che è stato pubblicato in Nano lettere . Hanno partecipato vari colleghi della Chung-Ang University, così come il professor Saitoh, nel tentativo di comprendere l'effetto di 2-D MoS 2 sulla potenza termoelettrica di YIG/Pt.
A tal fine, gli scienziati hanno preparato due YIG/MoS 2 /Pt campioni con diverse morfologie nel MoS 2 strato, così come un campione di riferimento senza MoS 2 del tutto. Hanno preparato una piattaforma di misurazione in cui è possibile imporre un gradiente di temperatura, un campo magnetico applicato, e la differenza di tensione causata dal conseguente flusso di spin monitorato. interessante, hanno scoperto che l'inverso SSE, e a sua volta le prestazioni termoelettriche dell'intera eterostruttura, può essere aumentato o diminuito a seconda delle dimensioni e del tipo di MoS 2 Usato. In particolare, usando un MoS hole bucato 2 il multistrato tra gli strati YIG e Pt ha prodotto un aumento del 60% della potenza termoelettrica rispetto al solo YIG/Pt.
Attraverso attente analisi teoriche e sperimentali, gli scienziati hanno determinato che questo marcato aumento è stato causato dalla promozione di due fenomeni quantistici indipendenti che, insieme, conto per il totale inverso SSE. Questi sono chiamati effetto Hall di spin inverso, e l'effetto inverso Rashba-Edelstein, che producono entrambi un accumulo di spin che viene poi convertito in una corrente di carica. Inoltre, hanno studiato come i buchi e i difetti nel MoS 2 strato alterato le proprietà magnetiche dell'eterostruttura, determinando un favorevole potenziamento dell'effetto termoelettrico. Entusiasta dei risultati, Lee osserva:"Il nostro studio è il primo a dimostrare che le proprietà magnetiche dello strato interfacciale causano fluttuazioni di spin all'interfaccia e alla fine aumentano l'accumulo di spin, portando a una tensione e una potenza termica più elevate dall'SSE inverso."
I risultati di questo lavoro rappresentano un pezzo cruciale nel puzzle della tecnologia dei materiali termoelettrici e potrebbero presto avere implicazioni nel mondo reale, come spiega Lee:"I nostri risultati rivelano importanti opportunità per i raccoglitori di energia termoelettrica su vasta area con strati intermedi nel sistema YIG/Pt. Forniscono anche informazioni essenziali per comprendere la fisica dell'effetto combinato Rashba-Edelstein e SSE nel trasporto di spin". Aggiunge che la loro piattaforma di misurazione SSE potrebbe essere di grande aiuto per studiare altri tipi di fenomeni di trasporto quantistico, come gli effetti Hall e Nernst guidati dalla valle.
Speriamo che la tecnologia termoelettrica progredisca rapidamente in modo da poter realizzare i nostri sogni di una società più ecocompatibile!
