(a) Em semicondutores convencionais, elétrons fluem do lado quente para o lado frio com baixa mobilidade causada por impurezas ionizadas. (b) No semicondutor recentemente desenvolvido sem a impureza, 2DEG pode fluir com alta mobilidade. Crédito:Ohta H. et al., Ciência Avançada, 20 de novembro 2017
Mais de 60% da energia produzida por combustíveis fósseis é perdida na forma de calor. A conversão de energia termoelétrica tem atraído muita atenção como uma forma de converter o calor residual das usinas, fábricas e carros em eletricidade. Contudo, as tecnologias atualmente disponíveis precisam ser aprimoradas para se tornarem viáveis em escala industrial.
Pesquisadores da Universidade de Hokkaido, no Japão, propuseram o uso de elétrons de alta mobilidade gerados em uma interface semicondutora chamada gás de elétrons 2-D (2DEG), que pode melhorar a capacidade dos materiais termoelétricos de converter energia térmica em eletricidade.
Os pesquisadores fizeram um transistor no 2DEG na interface entre dois materiais semicondutores, nitreto de alumínio e gálio e nitreto de gálio. Quando um campo elétrico foi aplicado, concentrações de 2DEG podem ser moduladas sem reduzir sua alta mobilidade. O "fator de potência do 2DEG, "que é uma medida de sua energia elétrica, é duas a seis vezes maior do que a maioria dos materiais termoelétricos de última geração.
A conversão de energia termoelétrica eficiente requer materiais com alta condutividade elétrica, baixa condutividade térmica, e uma grande energia termelétrica que é produzida em alta tensão em resposta à diferença de temperatura no material.
(Topo) Ilustração esquemática do transistor, que pode controlar a densidade de 2DEG na interface entre AlGaN e GaN. (Embaixo) Fotografia do transistor durante a medição. Crédito:Ohta H. et al., Ciência Avançada, 20 de novembro 2017
As técnicas atuais de nanoestruturação conseguiram reduzir significativamente a condutividade térmica desses materiais, melhorando assim seu desempenho. Um alto fator de potência também é necessário para a geração de energia eficiente, mas melhorá-lo tem sido limitado porque exige o aumento simultâneo da energia termelétrica de um material e sua condutividade elétrica, o que é difícil. A condutividade elétrica permaneceu baixa devido às impurezas ionizadas no material que suprimem a mobilidade dos elétrons.
A aplicação de um campo elétrico ao transistor fabricado pelos pesquisadores da Universidade de Hokkaido permite modular tanto a energia termelétrica do material quanto sua condutividade elétrica sem suprimir sua alta mobilidade.
"Embora o dispositivo não possa ser usado como gerador termoelétrico por ser muito fino, a abordagem de gás de elétron 2-D deve abrir caminhos para melhorar ainda mais o desempenho de materiais termoelétricos de última geração, "diz Hiromichi Ohta, o principal autor do estudo publicado na revista Ciência Avançada .