Nos últimos anos, o consumo de energia nos países desenvolvidos tem sido um desperdício. Quase dois terços da energia total é normalmente descartada no meio ambiente como "calor residual, "o que acaba contribuindo para o aquecimento global. Encontrar uma maneira de usar esse calor de forma produtiva tem estado na vanguarda da prioridade de todo pesquisador de materiais.

Uma das várias maneiras possíveis de recuperar esse calor residual como eletricidade é usando o que é conhecido como "conversão termoelétrica" ​​- um processo que usa a diferença de temperatura em semicondutores para converter diretamente em voltagem elétrica. Os dispositivos termoelétricos incluem semicondutores do tipo p e do tipo n com dois tipos de portadores de carga, ou seja, elétron e buraco. Os semicondutores do tipo p e do tipo n são conectados em série para produzir uma grande tensão termoelétrica. Portanto, é necessário desenvolver os semicondutores do tipo p e do tipo n com alta eficiência de conversão termoelétrica.

Um material semicondutor específico para o qual os cientistas recentemente voltaram sua atenção é o monosseleneto de estanho (SnSe), que supostamente exibe o valor ZT de índice de desempenho de conversão termoelétrica mais alto do mundo. Contudo, SnSe é incapaz de controlar o tipo de portador de carga com facilidade. A dopagem com íons alcalinos melhora o desempenho termoelétrico do tipo p, mas os íons alcalinos são elementos voláteis e difusivos, e não são adequados para aplicações de alta temperatura. Adicionar bismuto e iodo para torná-lo do tipo n, por outro lado, resulta em baixas concentrações de elétrons.

Em um novo estudo publicado em Materiais Funcionais Avançados , uma equipe de cientistas da Tokyo Tech, Japão, liderado pelo Prof. Takayoshi Katase descobriu que, quando dopado com antimônio (Sb), SnSe, denotado como (Sn _1-x Sb _x ) Se, exibe uma mudança peculiar de tipo de condução. Especificamente, a equipe observou que em baixas concentrações de doping, (Sn _1-x Sb _x ) Se começou com a condução do tipo p, mas mudou para o tipo n com o aumento da dopagem, e finalmente voltou ao tipo p para altas concentrações. As análises e cálculos elaborados revelaram um mecanismo de comutação de tipo de carga interessante que, a equipe encontrou, tem a ver com a distribuição de sítios de substituição Sb entre Sn e Se. Eles atribuíram esse comportamento de troca a uma troca do local de substituição Sb principal de Se (Sb _Se ) para Sn (Sb _Sn ) com o aumento da dopagem.

Os cientistas explicaram que em concentrações muito baixas de Sb, a condução do tipo p ocorre exclusivamente devido aos orifícios fornecidos pela vacância de Sn. Mas à medida que o doping aumenta, Sb _Sn começa a doar elétrons enquanto Sb _Se forma uma "faixa de impureza" que permite a condução através dela, resultando no comportamento do tipo n observado. Contudo, conforme o nível de doping sobe ainda mais, o nível Fermi se aproxima do nível midgap localizado entre o Sb _Se banda de impureza e banda de condução mínima, resultando na condução do tipo p.

Com insights tão notáveis ​​para oferecer, os resultados são, sem dúvida, uma virada de jogo em potencial para o SnSe. Contudo, O Prof. Takase prevê um escopo ainda mais amplo. "Agora que entendemos o mecanismo em jogo na troca de polaridade do SnSe dopado com Sb, podemos esperar otimizar o processo de síntese em massa para melhorar ainda mais seu desempenho termelétrico e, por sua vez, realizar dispositivos de conversão termoelétrica de alto desempenho com ele, "supõe o Prof. Katase.

O que mais, os pesquisadores também esperam que o controle de polaridade baseado em doping-site-switching se torne mais versátil no futuro e possa ser aplicado a outros materiais semicondutores cujos tipos de portadores são difíceis de controlar de outra forma. Esperamos que isso leve a um futuro onde o calor residual não será mais um desperdício!