Fig. 1:(Esquerda) Esquema da estrutura cristalina em camadas de SnSe. (Direita) Dependência da pressão do fator de potência termoelétrica em 150 K e 300 K para SnSe. A inserção mostra a ilustração esquemática da mudança correspondente na topologia do vale em SnSe. Crédito:Universidade de Osaka
Pesquisadores da Universidade de Osaka conseguiram aumentar o fator de potência de um material termoelétrico promissor em mais de 100% variando a pressão, pavimentando o caminho para novos materiais com propriedades termoelétricas aprimoradas. Os materiais termoelétricos têm a capacidade única de gerar eletricidade a partir de diferenças de temperatura e, portanto, podem ser potencialmente usados para converter calor desperdiçado (como calor de laptops ou servidores aquecidos) em eletricidade utilizável.
Além de melhorar as propriedades termoelétricas de um material, os pesquisadores revelaram que as propriedades termoelétricas do material se originam de uma transição na topologia da estrutura de banda eletrônica, que é conhecida como transição Lifshitz. Esta transição difere da transição de fase convencional do tipo Landau, porque ocorre sem qualquer quebra de simetria. Os pesquisadores há muito têm motivos para acreditar que a transição de Lifshitz desempenha um papel crucial em muitos fenômenos quânticos, como supercondutividade, magnetismo complexo, e propriedades termoelétricas, mas eles careciam de prova direta.
Neste novo estudo, Pesquisadores da Universidade de Osaka mostraram uma ligação direta entre a transição de Lifshitz e as propriedades físicas em um material termoelétrico. "Conseguimos acompanhar a transição de Lifshitz aplicando pressão e medindo as oscilações quânticas à medida que a pressão aumentava, "diz o autor correspondente, Hideaki Sakai.
Os pesquisadores estudaram seleneto de estanho (SnSe), um material termoelétrico que também é um semicondutor com uma pequena quantidade de portadores condutores. Em semicondutores, a banda de valência de energia mais baixa é preenchida com elétrons, enquanto a banda de condução de energia superior está vazia deles; uma vez que algumas impurezas e / ou defeitos químicos são introduzidos, portadores condutores são introduzidos como elétrons e buracos nas bandas de condução e valência, respectivamente, e o semicondutor se comportará como um condutor. Além de ter um efeito nas propriedades de condução elétrica do material, a estrutura de banda também tem efeito sobre os fenômenos quânticos, como suas habilidades termoelétricas. As bandas de valência do seleneto de estanho não são completamente planas, mas normalmente têm dois vales neles.
Fig. 2:Configuração das medidas termoelétricas e elétricas sob pressão. Crédito:Universidade de Osaka
“Quando aumentamos a pressão sobre o material, observamos uma mudança de dois para quatro vales no material quando ocorreu a transição de Lifshitz, "Hideaki Sakai diz. Os pesquisadores foram capazes de mostrar experimentalmente e teoricamente que essa mudança no número de vales foi diretamente responsável por melhorar significativamente as propriedades termoelétricas do seleneto de estanho.
Os resultados do estudo podem ajudar a preparar materiais termoelétricos aprimorados no futuro e também podem ajudar a esclarecer o efeito da transição de Lifshitz em várias propriedades de transporte, levando a aplicações potenciais, como novos eletrônicos, utilizando graus de liberdade de vale na estrutura de banda.
