As impurezas, muitas vezes consideradas indesejáveis ​​nos materiais, podem por vezes desempenhar um papel crucial na melhoria das suas propriedades. Este fenômeno é exemplificado em materiais termoelétricos, que convertem diferenças de temperatura em eletricidade. Ao introduzir estrategicamente tipos específicos de impurezas em nível atômico, os cientistas descobriram uma maneira de melhorar significativamente o desempenho termoelétrico desses materiais.

Os materiais termoelétricos dependem do movimento de portadores de carga (elétrons ou lacunas) e de portadores de calor (fônons) para gerar eletricidade. A eficiência deste processo de conversão é determinada por dois fatores principais:a condutividade elétrica e a condutividade térmica. Idealmente, um bom material termoelétrico deve ter alta condutividade elétrica para facilitar o transporte de carga e, ao mesmo tempo, possuir baixa condutividade térmica para minimizar a perda de calor.

No entanto, alcançar esse equilíbrio pode ser um desafio. Na maioria dos materiais, o aumento da condutividade elétrica geralmente também leva a um aumento na condutividade térmica. Essa compensação é conhecida como lei Wiedemann-Franz.

As impurezas podem quebrar esta correlação através da introdução de mecanismos de dispersão adicionais para os fônons, os transportadores de calor. Quando os fônons encontram essas impurezas, seu movimento é interrompido, reduzindo a condutividade térmica. Ao mesmo tempo, a presença de impurezas pode aumentar a condutividade elétrica através da introdução de novos estados de energia que facilitam o transporte de portadores de carga.

Este conceito de engenharia de impurezas foi demonstrado com sucesso em vários materiais termoelétricos. Por exemplo, no material amplamente estudado telureto de bismuto (Bi2Te3), a introdução de pequenas quantidades de impurezas como selênio (Se) ou antimônio (Sb) demonstrou melhorar significativamente seu desempenho termoelétrico.

Essas impurezas introduzem estados ressonantes próximos ao nível de Fermi, que aumentam a condutividade elétrica aumentando a densidade dos portadores de carga disponíveis. Além disso, as impurezas dispersam os fônons, reduzindo a condutividade térmica. Como resultado, a eficiência termoelétrica geral do Bi2Te3 é melhorada.

Outro exemplo de engenharia de impurezas bem-sucedida é a adição de elementos de terras raras como itérbio (Yb) ou érbio (Er) ao telureto de chumbo (PbTe). Essas impurezas introduzem estados eletrônicos localizados que melhoram a condutividade elétrica, enquanto suas massas atômicas pesadas contribuem para o espalhamento de fônons, reduzindo a condutividade térmica.

Ao selecionar e controlar cuidadosamente o tipo e a concentração de impurezas, os cientistas podem adaptar as propriedades dos materiais termoelétricos ao nível atômico, alcançando um equilíbrio delicado entre a condutividade elétrica e a condutividade térmica. Esta abordagem é uma grande promessa para o desenvolvimento de materiais termoelétricos de alto desempenho para aplicações eficientes de conversão de energia, como recuperação de calor residual e geração de energia portátil.

Concluindo, as impurezas, muitas vezes percebidas como prejudiciais, podem de fato ser benéficas quando se trata de materiais termoelétricos. Ao introduzir impurezas específicas no nível atômico, os cientistas podem aumentar a condutividade elétrica e, ao mesmo tempo, reduzir a condutividade térmica, melhorando em última análise a eficiência termoelétrica geral desses materiais. Este conceito de engenharia de impurezas abre caminhos interessantes para o projeto e otimização de dispositivos termoelétricos de próxima geração.