(a) Estrutura cristalina tridimensional de YbSi2, (b) vista ao longo do eixo a, e (c) ao longo do eixo c. Crédito:2017 Kurosaki et al. Phys. Status Solidi RRL 2017, 1700372. doi:10.1002 / pssr.201700372
Materiais termoelétricos (TE) podem desempenhar um papel fundamental em tecnologias futuras. Embora as aplicações desses compostos notáveis tenham sido exploradas há muito tempo, eles são limitados principalmente a dispositivos de alta temperatura. Recentemente, pesquisadores da Universidade de Osaka, em colaboração com a Hitachi, Ltd., desenvolveu um novo material TE com fator de potência aprimorado em temperatura ambiente. Seu estudo, publicado em Physica Status Solidi RRL , poderia ajudar a trazer esses materiais do nicho de alta temperatura para o mercado principal.
Os materiais TE exibem o efeito termoelétrico:aplique calor de um lado, e uma corrente elétrica começa a fluir. Por outro lado, execute uma corrente externa através do dispositivo, e forma-se um gradiente de temperatura; ou seja, um lado fica mais quente do que o outro. Interconvertendo calor e eletricidade, Os materiais da TE podem ser usados como geradores de energia (fornecida uma fonte de calor) ou refrigeradores (fornecida uma fonte de alimentação).
O material TE ideal combina alta condutividade elétrica, permitindo que a corrente flua, com baixa condutividade térmica, o que evita que o gradiente de temperatura se estabilize. O desempenho da geração de energia depende principalmente do "fator de potência, "que é proporcional à condutividade elétrica e a um termo denominado coeficiente de Seebeck.
"Infelizmente, a maioria dos materiais TE são frequentemente baseados em elementos raros ou tóxicos, "diz o co-autor Sora-at Tanusilp." Para resolver isso, combinamos silício - que é comum em materiais TE - com itérbio, para criar siliceto de itérbio [YbSi 2 ] Escolhemos o itérbio em vez de outros metais por vários motivos. Primeiro, seus compostos são bons condutores elétricos. Segundo, YbSi 2 não é tóxico. Além disso, este composto tem uma propriedade específica chamada flutuação de valência que o torna um bom material TE em baixas temperaturas. "
Dependências de temperatura de (a) o coeficiente de Seebeck S, (b) condutividade elétrica σ, (c) fator de potência S 2 σ para YbSi 2 . Os dados relatados para Bi 2 Te 3 ligas com base são mostradas como linhas sólidas para comparação. Crédito:2017 Kurosaki et al. Phys. Status Solidi RRL 2017, 1700372. doi:10.1002 / pssr.201700372
A primeira vantagem do YbSi 2 é que os átomos de Yb ocupam uma mistura de estados de valência, +2 e +3. Esta flutuação, também conhecido como ressonância Kondo, aumenta o coeficiente de Seebeck mantendo alta condutividade elétrica semelhante a metal em baixa temperatura, e, portanto, o fator de potência.
Segundo, YbSi 2 tem uma estrutura em camadas incomum. Enquanto os átomos de Yb ocupam planos de cristal semelhantes ao metal Yb puro, os átomos de Si formam folhas hexagonais entre esses planos, assemelhando-se às folhas de carbono em grafite. Isso bloqueia a condução de calor através do material, e, portanto, mantém a condutividade térmica baixa, preservando o gradiente de temperatura. Os pesquisadores acreditam que a condução de calor é ainda mais suprimida pelo controle da estrutura em nanoescala e vestígios de impurezas e outros defeitos.
O resultado é um fator de potência encorajadoramente alto de 2,2 mWm -1 K -2 à temperatura ambiente. Isso é competitivo com os materiais TE convencionais baseados em telureto de bismuto. Como autor correspondente deste estudo, Ken Kurosaki explica, "O uso de Yb mostra que podemos reconciliar as necessidades conflitantes de materiais de TE por meio da seleção cuidadosa dos metais certos. TEs em temperatura ambiente, com poder moderado, pode ser visto como complementar à alta temperatura convencional, dispositivos de alta potência. Isso pode ajudar a desbloquear os benefícios da TE na tecnologia do dia-a-dia. "
