p Uma equipe de físicos da Clemson University composta pelos cientistas de nanomateriais Apparao Rao e Ramakrishna Podila e os termelétricos Terry Tritt, Jian He e Pooja Puneet trabalharam sinergicamente por meio do recém-estabelecido Clemson Nanomaterials Center para desenvolver uma nova técnica de adaptação de propriedades termoelétricas de telureto de bismuto tipo n para alto desempenho termoelétrico. p Suas descobertas foram publicadas em jornal Relatórios Científicos .

p A atual economia de energia e o meio ambiente dos EUA estão cada vez mais ameaçados pelas reservas domésticas cada vez menores de combustível fóssil, juntamente com o severo impacto ambiental da combustão de combustível fóssil. Espera-se que dispositivos termelétricos altamente eficientes forneçam as necessidades de tecnologia de energia limpa do momento para a sustentabilidade energética dos EUA. Esta pesquisa é um passo para otimizar o desempenho do dispositivo, pois traça uma metodologia para superar um desafio que tem "frustrado" os pesquisadores termelétricos até o momento.

p Dispositivos termoelétricos (TE) convertem calor residual em eletricidade por meio de uma propriedade de material única chamada efeito Seebeck. Basicamente, o efeito Seebeck resulta em uma voltagem nas duas extremidades de um material TE, semelhante à tensão presente nas duas extremidades de uma bateria AA, quando o material TE é adequadamente exposto ao calor residual. Em tais dispositivos, a eficiência de conversão de calor em eletricidade é governada por certas propriedades de materiais fortemente acoplados, viz., resistividade elétrica, Coeficiente de Seebeck, e condutividade térmica. Um dispositivo TE funcional consiste em várias pernas feitas de materiais tipo p e tipo n, assim como um diodo é composto por uma junção p-n.

p Telureto de bismuto (Bi2Te3) é um material em camadas e pode ser visto como um baralho de cartas, em que cada cartão tem apenas alguns átomos de espessura. Bi2Te3 é atualmente considerado como o material TE de última geração com alta eficiência para converter calor residual em eletricidade, e é, portanto, atraente para processos de captação de energia.

p Os métodos tradicionais de nanodimensionamento falharam em melhorar o desempenho do Bi2Te3 tipo n, uma vez que eles simplesmente degradam todas as propriedades dos materiais simultaneamente. Portanto, Os pesquisadores e colegas da Clemson desenvolveram um novo método de nanodimensionamento no qual primeiro descascamos o Bi2Te3 tipo n em folhas atomicamente finas (semelhante ao grafeno, que é uma folha de átomos de carbono com um átomo de espessura) e as remontamos usando um processo de sinterização de plasma de centelha.

p Os pesquisadores descobriram que o processo de duas etapas descrito acima de primeiro separar o baralho de cartas em cartas individuais e depois remontá-las em um baralho por meio de sinterização de plasma de centelha nos permite adaptar adequadamente as propriedades dos materiais do Bi2Te3 do tipo n para alto Desempenho da TE. Nesta abordagem, os chamados 'defeitos de carga interfacial' são gerados no Bi2Te3 tipo n sinterizado que não só melhora suas propriedades estruturais, mas também sua eficiência termoelétrica em uma ampla janela de temperatura, o que o torna extremamente compatível com o Bi2Te3 tipo p para a fabricação de dispositivos TE eficientes.

p Espera-se que o fator de compatibilidade aprimorado (demonstrado neste artigo) abra novas possibilidades para dispositivos TE altamente eficientes. O elemento fascinante e digno de nota desta pesquisa é que os defeitos, que muitas vezes conotam impureza e estão associados a baixo desempenho ou eficiência, pode de fato ser usado para ajustar as propriedades dos materiais a nosso favor.

p A comunidade científica de hoje carece de uma compreensão abrangente dos defeitos, principalmente devido à ausência de métodos que possam gerar e manipular defeitos de forma controlada. O futuro desta pesquisa terá como objetivo o desenvolvimento de ferramentas para gerar e estudar defeitos em um nível fundamental, que por sua vez permitirão aos pesquisadores otimizar as propriedades dos materiais não apenas de materiais TE, mas também de uma nova classe de materiais bidimensionais além do Nobel -Grafeno vencedor para geração e armazenamento de energia.