Segundo os cientistas, o calor residual, que entra no ambiente e não é utilizado, é responsável por mais de 70% das perdas globais no consumo de energia. Com a ajuda de materiais termoelétricos – semicondutores especiais – o calor dissipado pode ser convertido em eletricidade. Materiais termoelétricos também podem ser usados ​​para projetar dispositivos de refrigeração, que reduzem o consumo de energia em aplicações domésticas e industriais.



A busca por esses materiais é uma das principais tarefas da moderna ciência dos materiais. Uma equipe de cientistas da Skoltech, do Instituto Emanuel de Física Bioquímica RAS, bem como de outras organizações científicas importantes na Rússia e em Israel, estudou como a adição de impurezas ao telureto de chumbo (PbTe), um material termoelétrico, pode afetar suas propriedades mecânicas e estender o serviço. vida útil de um gerador termoelétrico. O artigo foi publicado em Applied Physics Letters .

“O telureto de chumbo é usado em gasodutos na região de Yamal para garantir o funcionamento dos sensores. É impossível colocar linhas de energia lá e os motores a diesel exigem monitoramento constante. material termoelétrico, o calor da queima do gás é convertido em eletricidade, o que é suficiente para os sensores funcionarem", disse Ilya Chepkasov, principal autor do estudo, pesquisador sênior do Centro de Transição Energética da Skoltech.

O material também apresenta algumas desvantagens:pode deteriorar-se ao entrar em contato com materiais que possuam coeficiente de dilatação térmica diferente. A fácil deterioração pode depender da dopagem, que é o processo de adição de impurezas à estrutura cristalina de um semicondutor para alterar suas propriedades elétricas e termoelétricas e tornar a condutividade controlada e previsível.

Existem dois tipos de dopagem de semicondutores. A dopagem do tipo N resulta em um semicondutor com os elétrons sendo os principais portadores de carga. A dopagem tipo P produz um semicondutor, onde o papel principal na transferência de carga é atribuído aos chamados "buracos" - locais que aparecem em uma ligação eletrônica após a saída do elétron. Eles têm carga positiva e se comportam como partículas positivas.

Os cientistas demonstraram que a ligação química no PbTe tipo n enfraquece à medida que os orbitais afrouxados se enchem. Com isso, o material torna-se mais dúctil e, com a expansão térmica, o risco de sua degradação é menor do que no tipo p.

"Dependendo do tipo de dopagem, as propriedades mecânicas do material podem variar de diferentes maneiras. No PbTe tipo n, a concentração de dopantes afeta levemente as propriedades mecânicas. No PbTe tipo p, há um aumento significativo na sua dureza Estudamos a razão desse comportamento e descobrimos que a dopagem do tipo n resulta em um elétron extra no orbital afrouxado. Por outro lado, a dopagem do tipo p resulta em uma ligação mais rígida. um material mais frágil", acrescentou Chepkasov.

Os novos resultados ajudarão a selecionar um dopante que irá melhorar as propriedades mecânicas do telureto de chumbo e aumentar a durabilidade de um gerador termoelétrico. A pesquisa fez parte da bolsa nº 19-72-30043 da Academia Russa de Ciências intitulada "Laboratório de Design Computacional de Novos Materiais". O projeto visa desenvolver novos métodos computacionais que irão melhorar significativamente as capacidades de previsão computacional de materiais, levando em consideração fatores complexos como temperatura e efeitos de correlação.

Mais informações: Ilya V. Chepkasov et al, Origem do comportamento frágil de materiais termoelétricos à base de PbTe dopados, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0185002
Informações do diário: Cartas de Física Aplicada

Fornecido pelo Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia