p Na busca de soluções para problemas ambientais cada vez mais graves, como o esgotamento dos combustíveis fósseis e mudanças climáticas, muitos se voltaram para o potencial de materiais termelétricos para gerar energia. Esses materiais exibem o que é conhecido como efeito termoelétrico, que cria uma diferença de voltagem quando há um gradiente de temperatura entre os lados do material. Este fenômeno pode ser explorado para produzir eletricidade usando a enorme quantidade de calor residual que a atividade humana gera, como o de automóveis e usinas termelétricas, proporcionando assim uma alternativa ecológica para satisfazer nossas necessidades de energia. p Siliceto de magnésio (Mg ₂ Si) é um material termoelétrico particularmente promissor com uma alta "figura de mérito" (ZT) - uma medida de seu desempenho de conversão. Embora os cientistas tenham notado anteriormente que o doping Mg ₂ O Si com uma pequena quantidade de impurezas melhora seu ZT, aumentando sua condutividade elétrica e reduzindo sua condutividade térmica, os mecanismos subjacentes por trás dessas mudanças eram desconhecidos - até agora.

p Em um estudo conjunto recente publicado como um artigo em destaque em Cartas de Física Aplicada , cientistas da Universidade de Ciência de Tóquio (TUS), o Instituto de Pesquisa em Radiação Síncrotron do Japão (JASRI), e a Universidade Shimane, Japão, se uniram para descobrir os mistérios por trás da melhoria do desempenho do Mg ₂ Si dopado com antimônio (Sb). Dr. Masato Kotsugi da TUS, quem é o autor correspondente do estudo, explica sua motivação:"Embora tenha sido descoberto que as impurezas de Sb aumentam o ZT de Mg ₂ Si, as mudanças resultantes na estrutura local e nos estados eletrônicos que causam esse efeito não foram elucidadas experimentalmente. Esta informação é crítica para entender os mecanismos por trás do desempenho termelétrico e melhorar a próxima geração de materiais termelétricos. "

p Mas como eles poderiam analisar os efeitos das impurezas de Sb no Mg ₂ Si no nível atômico? A resposta está na análise de estrutura fina de absorção de raios-X estendida (EXAFS) e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X rígidos (HAXPES), como Dr. Masato Kotsugi e Sr. Tomoyuki Kadono, quem é o primeiro autor do estudo, explique:"EXAFS nos permite identificar a estrutura local em torno de um átomo excitado e tem forte sensibilidade para elementos diluídos (impurezas) no material, que podem ser identificados com precisão por meio de medições de fluorescência. Por outro lado, HAXPES nos permite investigar diretamente os estados eletrônicos profundamente dentro da maior parte do material, sem a influência indesejada da oxidação da superfície. "Técnicas tão poderosas, Contudo, não são realizados usando equipamentos comuns. Os experimentos foram conduzidos em SPring-8, uma das maiores instalações de radiação síncrotron de raios-X mais importantes do mundo, com a ajuda do Dr. Akira Yasui e do Dr. Kiyofumi Nitta do JASRI.

p Os cientistas complementaram esses métodos experimentais com cálculos teóricos para lançar luz sobre os efeitos exatos das impurezas no Mg ₂ Si. Esses cálculos teóricos foram realizados pela Dra. Naomi Hirayama, da Shimane University. "Combinar cálculos teóricos com experimentação é o que produziu resultados únicos em nosso estudo, " ela diz.

p Os cientistas descobriram que os átomos de Sb ocupam o lugar dos átomos de Si no Mg ₂ Rede de cristal de Si e introduzir uma leve distorção nas distâncias interatômicas. Isso pode promover um fenômeno chamado espalhamento de fônon, o que reduz a condutividade térmica do material e, por sua vez, aumenta seu ZT. Além disso, porque os átomos de Sb contêm um elétron de valência a mais do que Si, eles efetivamente fornecem portadores de carga adicionais que preenchem a lacuna entre as bandas de valência e de condução; em outras palavras, As impurezas Sb desbloqueiam estados de energia que facilitam o salto de energia exigido pelos elétrons para circular. Como resultado, a condutividade elétrica do Mg dopado ₂ Si aumenta, e o mesmo acontece com seu ZT.

p Este estudo aprofundou muito a nossa compreensão do doping em materiais termoelétricos, e os resultados devem servir como um guia para a engenharia de materiais inovadora. Dr. Tsutomu Iida, cientista líder do estudo, diz:"Na minha visão do futuro, o calor residual dos carros é efetivamente convertido em eletricidade para alimentar uma sociedade que respeita o meio ambiente. "Felizmente, podemos estar apenas um passo mais perto de realizar este sonho.