p Uma equipe de pesquisa do NIMS desenvolveu um novo mecanismo de geração termoelétrica com uma estrutura híbrida composta de materiais termoelétricos e magnéticos. A equipe, então, realmente fabricou esta estrutura e observou a energia termelétrica recorde aparecendo na direção perpendicular a um gradiente de temperatura (ou seja, geração termoelétrica transversal). Esses resultados podem oferecer insights sobre novos mecanismos e projetos estruturais aplicáveis ​​ao desenvolvimento de tecnologias versáteis de captação de energia e sensores de fluxo de calor altamente sensíveis. p O efeito Seebeck é um fenômeno no qual um gradiente de temperatura em um metal ou semicondutor é convertido em uma voltagem termoelétrica. Como esse efeito pode ser usado para converter calor residual em energia elétrica, suas aplicações potenciais (por exemplo, fontes de energia autônomas para dispositivos IoT) foram amplamente estudadas. Contudo, A geração termoelétrica impulsionada pelo efeito Seebeck tem desvantagens:uma energia termelétrica é gerada ao longo da direção de um gradiente de temperatura (isto é, geração termelétrica longitudinal). Por causa dessa relação paralela, um material termoelétrico precisa ser estendido na direção de um gradiente de temperatura para criar grandes diferenças de temperatura e grande tensão termoelétrica resultante. Além disso, em dispositivos Seebeck convencionais, uma estrutura complexa composta de uma conexão serial de muitos pares de dois materiais termoelétricos diferentes é necessária para aumentar uma tensão termoelétrica. Contudo, esses arranjos aumentam o custo de produção, tornam o material / estrutura menos durável, e limitar sua aplicabilidade prática. Em contraste, o efeito Nernst anômalo - um fenômeno termoelétrico que ocorre apenas em materiais magnéticos - pode gerar uma tensão termoelétrica perpendicular à direção de um gradiente de temperatura. Este efeito pode, assim, permitir a geração de uma termelétrica em uma direção transversal, e a voltagem termoelétrica pode ser aumentada simplesmente aumentando o comprimento do material na direção perpendicular a um gradiente de temperatura. Espera-se que os materiais termoelétricos estendidos transversalmente tenham flexibilidade significativamente maior quando integrados em módulos e compensem as desvantagens mencionadas relacionadas ao efeito Seebeck. Contudo, o efeito Nernst anômalo demonstrou gerar apenas uma energia termelétrica muito pequena - menos de 10 μV / K perto da temperatura ambiente - dificultando sua aplicação prática.

p Neste projeto de pesquisa, a equipe de pesquisa idealizou e demonstrou um novo mecanismo de geração termoelétrica em que uma termelétrica longitudinal induzida pelo efeito Seebeck em um material termoelétrico pode ser convertida em uma termopelétrica transversal em um material magnético por meio do efeito Hall anômalo. A equipe então simulou esse mecanismo com base em cálculos de modelo fenomenológico e descobriu que ele é potencialmente capaz de gerar energia termelétrica muito alta além de 100 μV / K perpendicular à direção de um gradiente de temperatura quando os materiais e as estruturas são otimizados. Para verificar experimentalmente este resultado, a equipe fabricou uma estrutura híbrida composta de Co2MnGa - um composto magnético capaz de produzir o grande efeito Hall anômalo - e Si semicondutor capaz de produzir o grande efeito Seebeck. Esta estrutura gerou as termopares transversais positivas e negativas recorde (+82 μV / K e -41 μV / K). A magnitude e o sinal das termelétricas medidas são bem reproduzidos pela previsão com base nos cálculos do modelo. A capacidade de geração termoelétrica do compósito pode ainda ser melhorada por otimização de material e estrutural.

p A energia termelétrica observada neste projeto foi mais de 10 vezes maior do que a energia termelétrica mais alta registrada anteriormente, gerada pelo efeito Nernst anômalo. Espera-se que esse resultado avance significativamente os esforços de P&D com o objetivo de colocar a geração termoelétrica transversal em uso prático. Em estudos futuros, we plan to research and develop effective magnetic and thermoelectric materials, create composite structures using these materials, and optimize their structures. We will then use these hybrid materials to develop energy harvesting technologies capable of powering IoT devices and heat flux sensors that can be used for energy-saving purposes.

p This research was published in the online version of Materiais da Natureza , a British scientific journal, at 1:00 am on January 19, 2021, Japan Time (4:00 pm on January 18, GMT).