Efeito termoelétrico transversal excepcionalmente grande produzido pela combinação de materiais termoelétricos e magnéticos
Grande termopotência transversal realizada simplesmente empilhando materiais magnéticos e termoelétricos juntos. Crédito:Instituto Nacional Weinan Zhou de Ciência de Materiais, Instituto Nacional Yuya Sakuraba de Ciência de Materiais Uma equipe de pesquisa do NIMS demonstrou pela primeira vez que uma simples pilha de camadas de materiais termoelétricos e magnéticos pode exibir um efeito termoelétrico transversal substancialmente maior – conversão de energia entre correntes elétricas e de calor que fluem ortogonalmente entre si dentro dela – do que os materiais magnéticos existentes. capaz de exibir o efeito Nernst anômalo. Este mecanismo pode ser usado para desenvolver novos tipos de dispositivos termoelétricos úteis na captação de energia e na detecção de fluxo de calor.
O estudo foi publicado na revista Advanced Science .
As tecnologias termoelétricas baseadas no efeito Seebeck, capazes de converter calor residual e outras fontes de calor em eletricidade, têm sido extensivamente pesquisadas nos últimos anos. O efeito Seebeck normalmente gera uma corrente elétrica que flui paralelamente ao fluxo de calor associado (ou seja, um efeito termoelétrico longitudinal). Esta limitação física exige que os dispositivos baseados no efeito Seebeck tenham estruturas complexas, levando à redução da vida útil e ao aumento dos custos de fabricação.
Por outro lado, ao aproveitar os efeitos termoelétricos transversais, como o efeito anômalo de Nernst, os dispositivos termoelétricos podem ter estruturas muito mais simples do que os dispositivos baseados no efeito Seebeck, tornando-os potencialmente úteis na coleta de energia e na detecção de fluxo de calor. No entanto, o desempenho da conversão termoelétrica à temperatura ambiente resultante do efeito Nernst anômalo é atualmente muito baixo - menos de 10 μV de eletricidade podem ser gerados por uma diferença de temperatura de 1 K à temperatura ambiente - apresentando uma grande desvantagem.
A equipe de pesquisa fabricou um compósito termoelétrico com uma estrutura muito simples – um par de camadas de material termoelétrico e magnético empilhadas uma sobre a outra para que a eletricidade pudesse fluir através delas. Este dispositivo foi capaz de exibir um efeito termoelétrico transversal significativamente maior do que aquele produzido apenas pelos materiais magnéticos existentes, capazes de exibir o efeito Nernst anômalo na primeira demonstração experimental desse tipo.
Para alcançar o grande efeito termoelétrico transversal, a equipe primeiro construiu um modelo teórico e estimou a relação de espessura ideal entre o substrato de silício termoelétrico emparelhado (Si) capaz de exibir um grande efeito Seebeck e a fina liga magnética de ferro-gálio (Fe-Ga). filme. A equipe então empilhou o filme fino de Fe-Ga sobre um substrato de Si com a proporção de espessura ideal. Este composto produziu uma tensão de saída máxima de 15,2 μV/K - aproximadamente seis vezes maior do que a gerada apenas pela liga Fe-Ga (2,4 μV/K) com base no efeito anômalo de Nernst.
A equipe demonstrou que uma estrutura simples em camadas composta por um par de camadas de materiais termoelétricos e magnéticos em contato direto foi capaz de produzir um efeito termoelétrico transversal significativamente maior do que materiais magnéticos capazes de exibir o efeito Nernst anômalo quando usados sozinhos. Espera-se que este compósito seja aplicável em uma ampla gama de dispositivos termoelétricos práticos.
No futuro, a pesquisa será expandida para incluir materiais de grande porte necessários para aplicações práticas, visando contribuir para a conservação de energia da sociedade através de aplicações de dispositivos de geração de energia termoelétrica.
Este projeto foi realizado por Weinan Zhou (bolsista de pesquisa do ICYS, Centro Internacional para Jovens Cientistas, NIMS), Yuya Sakuraba (Líder do Grupo, Grupo de Dispositivos Funcionais Magnéticos, Centro de Pesquisa para Materiais Magnéticos e Spintrônicos (CMSM), NIMS), Ken-ichi Uchida (líder de grupo distinto, Spin Caloritronics Group, CMSM, NIMS) e Taisuke Sasaki (líder de grupo, grupo de análise de nanoestrutura, CMSM, NIMS).
