A tecnologia de materiais termoelétricos pode converter entre calor e eletricidade dentro de uma construção de materiais, mas muitos materiais existentes contêm elementos raros ou tóxicos. Em um novo estudo sobre Ciência , Wenke He e seus colegas relataram a interação dependente da temperatura entre três bandas eletrônicas separadas em cristais de sulfeto de estanho dopado com orifícios (SnS). O comportamento dos materiais permitiu a otimização sinérgica entre a massa efetiva (m ^* ) e mobilidade do portador (µ), que a equipe de pesquisa impulsionou com a introdução do selênio (Se).

Ao ligar o Se, eles aumentaram o fator de potência dos materiais de aproximadamente 30 para 53 microwatts por centímetro por Kelvin quadrado (µWcm ^-1 K ^-2 a 300 K) e baixou a condutividade térmica. A equipe de pesquisa obteve uma figura máxima de mérito ZT (ZT _max ) aproximando-se de 1,6 a 873 K e um ZT médio (ZT _ave ; figura de mérito adimensional) aproximando-se de 1,25 entre 300 K a 837 K dentro de SnS _0,91 Se _0,09 cristais. Os pesquisadores introduziram uma estratégia para manipulação de títulos, que ofereceu uma rota diferente para otimizar o desempenho termoelétrico. Os cristais de SnS de alto desempenho usados ​​no trabalho representaram um passo importante para o desenvolvimento de baixo custo, termelétricas abundantes e ambientalmente favoráveis ​​à terra.

A tecnologia termoelétrica permite a conversão invertível entre energia térmica e eletricidade para fornecer uma rota ambientalmente correta para a geração de energia. O processo pode ocorrer pela coleta de calor residual ou por resfriamento de estado sólido. Cientistas e físicos de materiais determinaram a eficiência de conversão da tecnologia termoelétrica usando a figura de mérito adimensional (ZT) para um determinado material termoelétrico. Os parâmetros que determinam a eficiência de conversão da tecnologia termoelétrica estão interligados, tornando a manipulação de qualquer parâmetro único para melhorar o desempenho termoelétrico um desafio. Os pesquisadores já haviam elaborado várias estratégias para melhorar os ZTs, otimizando os fatores de potência por meio da convergência de banda, achatamento de banda ou densidade de distorção de estados.

Os cientistas podem desacoplar parâmetros termoelétricos incorporando nanopartículas magnéticas e reduzir a condutividade térmica com nanoestruturas. Os cientistas de materiais também desenvolveram materiais inteiramente novos com condutividade térmica intrinsecamente baixa ou com um grande fator de potência, ou com termelétricas de alto desempenho obtidas por meio de triagem confiável de material de alto rendimento. Termelétricas de alto desempenho são geralmente amplamente estudadas em semicondutores do grupo IV-VI. A adição de SnSe (seleneto de estanho) ao grupo é promissora, uma vez que os materiais termoelétricos não contêm esses elementos. Além disso, SnSe tem propriedades de um ZT alto ao lado de várias bandas de valência e carga tridimensional (3-D) e transporte de fônons 2-D.

O composto SnS é um análogo estrutural do SnSe e também se prevê que seja um candidato termoelétrico atraente. Embora o custo mais baixo e a abundância de terra de S (enxofre) sejam atraentes para a ciência econômica e aplicações comerciais em grande escala, a baixa mobilidade do portador pode causar propriedades de transporte elétrico deficientes para impedir o alto desempenho termoelétrico. No presente trabalho, He et al. portanto, explorou os potenciais termoelétricos de cristais de SnS, manipulando sua estrutura de banda, já que a equipe de pesquisa também havia mostrado anteriormente a capacidade de aumentar a mobilidade do portador de cristais de SnS. Uma vez que S era bastante reativo com materiais de contato, era importante desenvolver uma barreira de difusão no futuro.

No presente trabalho, a equipe de pesquisa sintetizou SnS _1-x Se _x cristais usando um método de gradiente de temperatura para investigar o papel do Se no composto. A equipe obteve estruturas de banda eletrônica dependentes da temperatura usando cálculos da teoria da função de densidade (DFT) com base nas posições atômicas, que eles derivaram usando dados de difração de raios-X de radiação síncrotron de alta temperatura (SR-XRD). Usando os cálculos DFT e medições de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES), a equipe confirmou três interações separadas com bandas eletrônicas. Eles promoveram a excelente interação do comportamento das bandas eletrônicas, substituindo S por Se para otimizar com sucesso a massa efetiva (m ^* ) e mobilidade efetiva (µ) dentro do material. Eles aumentaram o fator de potência (FP) de 30 para 53 µWcm ^-1 K ^-2 a 300 K. A equipe confirmou a substituição de Se usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração (STEM) e espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios-X (XAFS). Usando espalhamento inelástico de nêutrons (INS), He et al. mostraram que fônons (ondas acústicas) típicos foram suavizados pela substituição de Se e posteriormente acoplados a ramos acústicos para menor condutividade térmica.

Os resultados implicaram ainda que a condutividade elétrica melhorou devido ao aumento da mobilidade do portador após a liga de 9 por cento de Se. A equipe de pesquisa observou um aumento combinado na condutividade elétrica e um grande coeficiente de Seebeck (sensibilidade termoelétrica) para fornecer um PF (fator de potência) de aproximadamente 53 µWcm ^-1 K ^-2 a 300 K para o SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristais. Os valores foram superiores aos de outros materiais termelétricos do grupo IV a VI compostos. A equipe de pesquisa ilustrou esquematicamente a evolução dinâmica das três bandas de valência e o deslocamento de energia entre elas em função da temperatura. Então, ao introduzir Se, He et al. promoveu a interação das três bandas de valência responsáveis ​​por otimizar a massa efetiva e mobilidade (m ^* e µ); onde abaixando m ^* resultou na melhoria de µ.

He et al. também usou ARPES (medições de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido) para observar a estrutura de banda elétrica de cristais de SnS. Eles traçaram três bandas de valência ao longo de diferentes direções e seus níveis de energia relativos na zona de Brillouin 3-D (uma zona teórica). Os cientistas, então, conduziram espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios-X (XAFS) em SnS _1-x Se _x cristais para entender a substituição de Se. Seu trabalho mostrou que para SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristais, o espectro de absorção de raios-X próximo à borda (XANES) continha três características principais. A equipe de pesquisa reproduziu todas as três principais características experimentais usando um espectro simulado e um modelo de substituição de Se. Eles observaram a introdução bem-sucedida de Se na rede SnS para todos os SnS _1-x Se _x cristais.

A equipe usou campo escuro anular de alto ângulo STEM (HAADF) para produzir uma imagem de contraste e visualizar substituições de Se em escala atômica em locais S dentro de SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristais. Eles obtiveram modos estruturais e padrões de difração de elétrons para SnS e SnSe em arranjos atômicos semelhantes a halteres. O brilho anormal nos locais S indicava substituições de Se. Eles combinaram fator de potência excepcionalmente alto (PF) e baixa condutividade térmica para gerar um ZT (ZT) máximo _max ), para o SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristais. He et al. mostrou boa estabilidade termoelétrica para os cristais de alto desempenho, onde os cristais mostraram excelente estabilidade após irradiação de nêutrons por 432 horas. Essa resistência à irradiação é importante para geradores termoelétricos de radioisótopos para exploração do espaço profundo.

Em comparação com outros materiais termoelétricos do grupo IV-VI, Os materiais SnS foram muito superiores em relação à toxicidade e abundância elementar. Os pesquisadores esperam otimizar ainda mais os materiais de contato para SnS durante a substituição elementar para obter maior eficiência experimental com baixo custo e alto desempenho no futuro. Desta maneira, Wenke He e seus colegas usaram SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 cristais para demonstrar amplamente o grande potencial competitivo, aplicações em larga escala na tecnologia de materiais termoelétricos.

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