Un efecto de traqueteo colectivo recientemente descubierto en un tipo de semiconductor cristalino bloquea la mayor parte de la transferencia de calor al tiempo que preserva una alta conductividad eléctrica, un emparejamiento poco común que, según los científicos, podría reducir la acumulación de calor en dispositivos electrónicos y motores de turbina, entre otras posibles aplicaciones.
Un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab descubrió estos rasgos exóticos en una clase de materiales conocidos como perovskitas de haluro, que también se consideran candidatos prometedores para paneles solares de próxima generación, láseres de nanoescala,refrigeración electrónica y pantallas electrónicas.
Estas propiedades térmicas y eléctricas interrelacionadas o "termoeléctricas" se encontraron en alambres a nanoescala de yoduro de estaño y cesio CsSnI3. Se observó que el material tenía uno de los niveles más bajos de conductividad térmica entre los materiales con una estructura cristalina continua.
Este llamado material monocristalino también se puede producir más fácilmente en grandes cantidades que los materiales termoeléctricos típicos, como el silicio-germanio, dijeron los investigadores.
"Sus propiedades se originan en la propia estructura cristalina. Es un fenómeno atómico", dijo Woochul Lee, investigador postdoctoral en Berkeley Lab, autor principal del estudio, publicado la semana del 31 de julio en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias revista. Estos son los primeros resultados publicados relacionados con el rendimiento termoeléctrico de este material de cristal único.
Los investigadores pensaron anteriormente que las propiedades térmicas del material eran el producto de átomos "enjaulados" que vibraban dentro de la estructura cristalina del material, como se había observado en otros materiales. Este ruido puede servir para interrumpir la transferencia de calor en un material.
"Inicialmente pensamos que eran átomos de cesio, un elemento pesado, que se movía en el material", dijo Peidong Yang, científico principal de la Facultad de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab que dirigió el estudio.
Jeffrey Grossman, investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts, luego realizó un trabajo teórico y simulaciones computarizadas que ayudaron a explicar lo que el equipo había observado. Los investigadores también utilizaron la Fundición molecular de Berkeley Lab, que se especializa en investigación a nanoescala, en el estudio.
"Creemos que hay esencialmente un mecanismo de traqueteo, no solo con el cesio. Es la estructura general la que está traqueteando; es un traqueteo colectivo", dijo Yang. "El mecanismo de traqueteo está asociado con la estructura cristalina misma", y no lo esproducto de una colección de pequeñas jaulas de cristal. "Es un movimiento atómico grupal", agregó.
Dentro de la estructura cristalina del material, la distancia entre los átomos se reduce y crece de manera colectiva, lo que evita que el calor fluya fácilmente.
Pero debido a que el material está compuesto de una estructura ordenada de un solo cristal, la corriente eléctrica aún puede fluir a través de él a pesar de este ruido colectivo. Imagine que su conductividad eléctrica es como un submarino que viaja suavemente en corrientes submarinas tranquilas, mientras que su conductividad térmica es comoun velero se sacudió en mares pesados en la superficie.
Yang dijo que dos aplicaciones principales para materiales termoeléctricos son el enfriamiento y la conversión de calor en corriente eléctrica. Para este material de yoduro de estaño y cesio en particular, las aplicaciones de enfriamiento, como un recubrimiento para ayudar a enfriar los sensores de las cámaras electrónicas, pueden ser más fáciles de lograr que el calor.conversión eléctrica, dijo.
Un desafío es que el material es altamente reactivo al aire y al agua, por lo que requiere una capa protectora o encapsulación para funcionar en un dispositivo.
El yoduro de estaño y cesio se descubrió por primera vez como un material semiconductor hace décadas, y solo en los últimos años se ha redescubierto por sus otros rasgos únicos, dijo Yang. "Resulta ser una increíble mina de oro de propiedades físicas", señaló.
Para medir la conductividad térmica del material, los investigadores unieron dos islas de un material de anclaje con un nanocable de yoduro de estaño y cesio. El nanocable estaba conectado en cada extremo a micro islas que funcionaban como un calentador y un termómetro. Los investigadores calentaron unode las islas y midió con precisión cómo el nanocable transportaba calor a la otra isla.
También realizaron microscopía electrónica de barrido para medir con precisión las dimensiones del nanocable. Utilizaron estas dimensiones para proporcionar una medida exacta de la conductividad térmica del material. El equipo repitió el experimento con varios materiales de nanocables diferentes y múltiples muestras de nanocables para comparar propiedades termoeléctricasy verifique las medidas de conductividad térmica.
"El siguiente paso es alear este material yoduro de estaño y cesio", dijo Lee. "Esto puede mejorar las propiedades termoeléctricas".
Además, al igual que los fabricantes de chips de computadora implantan una sucesión de elementos en obleas de silicio para mejorar sus propiedades electrónicas, un proceso conocido como "dopaje", los científicos esperan utilizar técnicas similares para explotar más plenamente los rasgos termoeléctricos de este material semiconductorEste es un territorio relativamente inexplorado para esta clase de materiales, dijo Yang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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