A ciência inovadora muitas vezes é o resultado de uma verdadeira colaboração, com pesquisadores em uma variedade de campos, pontos de vista e experiências se unindo de uma forma única. Um desses esforços por pesquisadores da Clemson University levou a uma descoberta que pode mudar a maneira como a ciência da termelétrica avança.

Assistente de pesquisa de pós-graduação Prakash Parajuli; professor assistente de pesquisa Sriparna Bhattacharya; e o Diretor Fundador do Instituto de Nanomateriais Clemson (CNI), Apparao Rao (todos membros da CNI no Departamento de Física e Astronomia da Faculdade de Ciências), trabalhou com uma equipe internacional de cientistas para examinar um material termoelétrico altamente eficiente de uma nova maneira - usando a luz.

Sua pesquisa foi publicada na revista Ciência Avançada e é intitulado "High zT e sua origem em cristais únicos GeTe dopados com Sb."

"Os materiais termoelétricos convertem energia térmica em energia elétrica útil; portanto, há muito interesse em materiais que possam convertê-lo de forma mais eficiente, "Parajuli disse

Bhattacharya explicou que a chave para medir o progresso no campo é a figura do mérito, anotado como zT, que é altamente dependente da propriedade dos materiais termoelétricos. "Muitos materiais termoelétricos exibem um zT de 1-1,5, que também depende da temperatura do material termoelétrico. Apenas recentemente foram relatados materiais com zT de 2 ou superior. "

"Isso levanta a questão, quantos materiais mais podemos encontrar, e qual é a ciência fundamental que é nova aqui através da qual um zT maior que 2 pode ser alcançado? "Rao acrescentou." A pesquisa básica é a semente a partir da qual a pesquisa aplicada cresce, e para permanecer na vanguarda em termelétricas, nos associamos à equipe do professor Yang Yuan Chen na Academia Sinica, Taiwan."

As equipes de Chen e Rao se concentraram em Germânio Telluride (GeTe), um único material de cristal.

"GeTe é de interesse, mas o GeTe simples sem qualquer doping não mostra propriedades interessantes, "Bhattacharya disse." Mas assim que adicionarmos um pouco de antimônio a ele, mostra boas propriedades eletrônicas, bem como condutividade térmica muito baixa. "

Enquanto outros relataram materiais baseados em GeTe com alto zT, estes eram materiais policristalinos. Os policristais têm limites entre os muitos pequenos cristais dos quais são formados. Embora esses limites impeçam favoravelmente a transferência de calor, eles mascaram a origem de processos fundamentais que levam a zT alto.

"Aqui, tínhamos cristais únicos de GeTe puro e dopado cujas propriedades termoelétricas não foram relatadas, "Bhattacharya disse." Portanto, pudemos avaliar as propriedades intrínsecas desses materiais que, de outra forma, seriam difíceis de decifrar na presença de processos concorrentes. Este pode ser o primeiro cristal de GeTe com dopagem de antimônio que mostrou essas propriedades únicas - principalmente a condutividade térmica ultrabaixa. "

Esta baixa condutividade térmica foi uma surpresa, uma vez que a estrutura cristalina simples do material deve permitir que o calor flua facilmente por todo o cristal.

"Os elétrons carregam o calor e a eletricidade, então, se você bloquear os elétrons, voce nao tem eletricidade, "Parajuli disse." Portanto, a chave é bloquear o fluxo de calor pelas vibrações quantizadas da rede conhecidas como fônons, enquanto permite o fluxo de elétrons. "

A dopagem de GeTe com a quantidade certa de antimônio pode maximizar o fluxo de elétrons e minimizar o fluxo de calor. Este estudo descobriu que a presença de 8 átomos de antimônio para cada 100 GeTe dá origem a um novo conjunto de fônons, que efetivamente reduzem o fluxo de calor que foi confirmado experimentalmente e teoricamente.

O time, junto com colaboradores que cultivaram os cristais, realizou medições de transporte eletrônico e térmico, além de cálculos de teoria funcional de densidade para encontrar este mecanismo de duas maneiras:primeiro, através da modelagem, usando os dados de condutividade térmica; segundo, através da espectroscopia Raman, que investiga os fônons dentro de um material.

"Este é um ângulo totalmente novo para a pesquisa termoelétrica, "Rao disse." Somos uma espécie de pioneiros nesse sentido - decodificar a condutividade térmica em termoelétricas com luz. O que encontramos usando a luz concordou bem com o que foi encontrado por meio de medições de transporte térmico. Pesquisas futuras em termoelétricas devem usar luz - é um método não destrutivo muito poderoso para elucidar o transporte de calor em termoelétricas. Você ilumina a amostra, e coletar informações. Você não está destruindo a amostra. "

Rao disse que a vasta gama de conhecimentos dos colaboradores foi a chave para o seu sucesso. O grupo incluiu Fengjiao Liu, um ex-Ph.D. aluno da CNI; Rahul Rao, Cientista Físico Pesquisador do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, Base da Força Aérea de Wright-Patterson; e Oliver Rancu, um estudante do ensino médio na Escola de Ciências e Matemática do Governador da Carolina do Sul que trabalhou com a equipe por meio do programa SPRI (Programa de Verão para Estagiários de Pesquisa) da Clemson. Por causa da pandemia, a equipe trabalhou com Rancu via Zoom, guiando-o com alguns dos cálculos de Parajuli usando um código Matlab alternativo.

“Estou muito grato pela oportunidade de trabalhar com os membros da equipe da CNI neste verão, "disse Rancu, quem vem de Anderson, Carolina do Sul. "Aprendi muitas coisas sobre a física e a experiência de pesquisa em geral. Foi realmente inestimável, e esta publicação de pesquisa é apenas mais uma adição a uma experiência já fantástica. "

"Fiquei muito impressionado com Oliver, "Parajuli acrescentou." Ele entendeu rapidamente a estrutura necessária para a teoria. "