O seleneto de estanho de cristal único (SnSe) é um semicondutor e um material termoelétrico ideal; ele pode converter diretamente o calor residual em energia elétrica ou ser usado para resfriamento. Quando um grupo de pesquisadores da Case Western Reserve University em Cleveland, Ohio, viu a estrutura de cristal em camadas semelhante a um gráfico de SnSe, eles tinham um daqueles mágicos "aha!" momentos.

Os relatórios do grupo no Journal of Applied Physics , que eles reconheceram imediatamente o potencial deste material para ser fabricado em formas nanoestruturadas. "Nosso laboratório tem trabalhado em semicondutores bidimensionais com estruturas em camadas semelhantes ao grafeno, "disse Xuan Gao, professor associado da Case Western.

Nanomateriais com dimensões em escala nanométrica - como espessura e tamanho de grão - têm propriedades termoelétricas favoráveis. Isso inspirou os pesquisadores a cultivar nanoflocos de nanômetro de espessura e filmes finos de SnSe para estudar mais suas propriedades termoelétricas.

O trabalho do grupo está centrado no efeito termoelétrico. Eles estudam como a diferença de temperatura em um material pode fazer com que portadores de carga - elétrons ou lacunas - se redistribuam e gerem uma voltagem através do material, conversão de energia térmica em eletricidade.

"Aplicar uma tensão em um material termoelétrico também pode levar a um gradiente de temperatura, o que significa que você pode usar materiais termoelétricos para resfriamento, "disse Gao." Geralmente, materiais com uma alta figura de mérito têm alta condutividade elétrica, um alto coeficiente de Seebeck - tensão gerada por Kelvin de diferença de temperatura dentro de um material - e baixa condutividade térmica, " ele disse.

Uma figura termoelétrica de mérito, ZT, indica a eficiência com que um material converte energia térmica em energia elétrica. O trabalho do grupo se concentra no fator de potência, que é proporcional a ZT e indica a capacidade de um material para converter energia, então eles mediram o fator de potência dos materiais que fabricaram.

Para fazer crescer nanoestruturas de SnSe, eles usaram um processo de deposição de vapor químico (CVD). Eles evaporaram termicamente uma fonte de pó de seleneto de estanho dentro de um tubo de quartzo evacuado. Os átomos de estanho e selênio reagem em um wafer de crescimento de silício ou mica colocado na zona de baixa temperatura do tubo de quartzo. Isso faz com que nanoflocos de SnSe se formem na superfície do wafer. Adicionar um elemento dopante como prata a filmes finos de SnSe durante a síntese de material pode otimizar ainda mais suas propriedades termoelétricas.

No começo, "os filmes finos de SnSe nanoestruturados que fabricamos tinham um fator de potência de apenas ~ 5 por cento daquele do SnSe de cristal único em temperatura ambiente, "disse Shuhao Liu, um autor no papel. Mas, depois de tentar uma variedade de dopantes para melhorar o fator de potência do material, eles determinaram que "a prata foi a mais eficaz - resultando em uma melhoria de fator de potência de 300 por cento em comparação com amostras não dopadas, "O filme fino nanoestruturado de SnSe dopado com prata é a promessa de um alto valor de mérito", disse Liu.

No futuro, o pesquisador espera que nanoestruturas de SnSe e filmes finos possam ser úteis para miniaturizados, ambientalmente amigável, dispositivos termelétricos e de resfriamento de baixo custo.