Os materiais termoelétricos permitirão a conversão eficiente do calor industrial residual em eletricidade. Mas para criar materiais termoelétricos eficazes, sua física subjacente deve ser bem compreendida. Crédito:Macrovector no Freepik
Materiais termoelétricos, que pode gerar uma voltagem elétrica na presença de uma diferença de temperatura, são atualmente uma área de intensa pesquisa; A tecnologia de captação de energia termoelétrica está entre nossas melhores tentativas para reduzir significativamente o uso de combustíveis fósseis e ajudar a prevenir uma crise energética mundial. Contudo, existem vários tipos de mecanismos termoelétricos, alguns dos quais são menos compreendidos, apesar dos esforços recentes. Um estudo recente de cientistas da Coréia visa preencher essa lacuna no conhecimento.
Um desses mecanismos mencionados anteriormente é o efeito spin Seebeck (SSE), que foi descoberto em 2008 por uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Eiji Saitoh da Universidade de Tóquio, Japão. O SSE é um fenômeno no qual uma diferença de temperatura entre um material não magnético e um material ferromagnético cria um fluxo de spins. Para fins de captação de energia termelétrica, o SSE inverso é especialmente importante. Em certas heteroestruturas, como granada ítrio-ferro-platina (YIG / Pt), o fluxo de spin gerado por uma diferença de temperatura é transformado em uma corrente com carga elétrica, oferecendo uma maneira de gerar eletricidade a partir do SSE inverso.
Como essa conversão de rotação para carga é relativamente ineficiente na maioria dos materiais conhecidos, pesquisadores tentaram inserir uma camada atomicamente fina de dissulfeto de molibdênio (MoS 2 ) entre as camadas YIG e Pt. Embora essa abordagem tenha resultado em uma conversão aprimorada, os mecanismos subjacentes por trás do papel do MoS 2-D 2 camada no transporte de spin permanece indescritível.
Para resolver essa lacuna de conhecimento, Professor Sang-Kwon Lee, do Departamento de Física da Universidade Chung-Ang, Coréia, conduziu recentemente um estudo aprofundado sobre o tema, que foi publicado em Nano Letras . Vários colegas da Universidade Chung-Ang participaram, bem como o professor Saitoh, em um esforço para entender o efeito do MoS 2-D 2 sobre a energia termoelétrica da YIG / Pt.
Para este fim, os cientistas prepararam dois YIG / MoS 2 / Amostras de Pt com morfologias diferentes no MoS 2 camada, bem como uma amostra de referência sem MoS 2 completamente. Eles prepararam uma plataforma de medição na qual um gradiente de temperatura pode ser aplicado, um campo magnético aplicado, e a diferença de tensão causada pelo fluxo de spin subsequente monitorado. Interessantemente, eles descobriram que o SSE inverso, e por sua vez, o desempenho termoelétrico de toda a heteroestrutura, pode ser aprimorado ou diminuído dependendo do tamanho e tipo de MoS 2 usado. Em particular, usando um MoS furado 2 multicamadas entre as camadas YIG e Pt rendeu um aumento de 60% na energia termoelétrica em comparação com YIG / Pt sozinho.
Por meio de análises teóricas e experimentais cuidadosas, os cientistas determinaram que este aumento acentuado foi causado pela promoção de dois fenômenos quânticos independentes que, juntos, conta para o SSE inverso total. Eles são chamados de efeito Hall de spin inverso, e o efeito Rashba-Edelstein inverso, que produzem um acúmulo de spin que é então convertido em uma corrente de carga. Além disso, eles investigaram como os furos e defeitos no MoS 2 camada alterou as propriedades magnéticas da heteroestrutura, levando a um aumento favorável do efeito termoelétrico. Animado com os resultados, Lee comenta:"Nosso estudo é o primeiro a provar que as propriedades magnéticas da camada interfacial causam flutuações de spin na interface e, por fim, aumentam o acúmulo de spin, levando a uma tensão e energia termelétrica mais altas do SSE inverso. "
Os resultados deste trabalho representam uma peça crucial no quebra-cabeça da tecnologia de materiais termelétricos e podem em breve ter implicações no mundo real, como Lee explica:"Nossas descobertas revelam oportunidades importantes para coletores de energia termoelétrica de grande área com camadas intermediárias no sistema YIG / Pt. Eles também fornecem informações essenciais para entender a física do efeito Rashba-Edelstein combinado e SSE no transporte de spin." Ele acrescenta que sua plataforma de medição de SSE poderia ser de grande ajuda para investigar outros tipos de fenômenos de transporte quântico, como os efeitos Hall e Nernst, dirigidos pelo vale.
Esperemos que a tecnologia termelétrica avance rapidamente para que possamos tornar nossos sonhos de uma sociedade mais ecológica uma realidade!
