Caracterización de extraordinarias propiedades termoeléctricas de películas delgadas de arseniuro de cadmio.

«El calor residual está en todas partes», afirmó Bolin Liao, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de California en Santa Bárbara, que se especializa en ciencias térmicas y energías renovables. «Nuestras centrales eléctricas, los tubos de escape de nuestros coches… hay muchísimos lugares donde generamos un exceso de calor desperdiciado».

Actualmente estamos bastante limitados en cómo podemos aprovechar al máximo este calor disipativo. Pero Liao y sus colegas de la UCSB, junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Hong Kong, están avanzando para aprovechar ese calor, con la primera caracterización integral de las propiedades termoeléctricas de películas delgadas de arseniuro de cadmio de alta calidad.

«Si pudiéramos recolectar ese calor residual, sería fantástico», afirmó. «Realmente aumentaría nuestra eficiencia energética y también es una fuente de energía realmente sostenible».

La investigación del equipo se publica en la revista. Materiales mejorados.

Un mejor material termoeléctrico

«Para lograr una alta eficiencia, necesitamos un material que conduzca bien la electricidad, conduzca mal el calor y produzca un alto voltaje para una diferencia de temperatura determinada», dijo Liao. La mala conductividad térmica reduce la disipación de calor mientras mantiene un diferencial de temperatura en todo el material, lo que da como resultado una corriente eléctrica amplificada por la conductividad eléctrica de alto rendimiento del material. El voltaje resultante del gradiente de temperatura se conoce como efecto Seebeck.

Esta combinación de propiedades de transporte eléctrico y térmico es ideal, pero, según Liao, «es muy difícil de lograr en la práctica».

Introduzca arseniuro de cadmio (Cd₃Cómo₂), un semimetal de Dirac con propiedades de transporte prometedoras, especialmente con baja conductividad térmica y alta movilidad de electrones.

«Estábamos muy entusiasmados con este material y pensamos: ‘Está bien, esto es realmente una combinación de estas dos grandes propiedades'», dijo Liao. «Pero sólo hay un problema».

«El problema con esto fue que, además de una buena conductividad eléctrica y una mala conductividad térmica, también se necesita que el material pueda generar suficiente voltaje a lo largo del gradiente de temperatura». Como semimetal, el arseniuro de cadmio conduce la electricidad muy rápidamente, pero produce sólo un voltaje Seebeck muy pequeño. Para crear un voltaje útil, explicó Liao, se debe abrir la banda prohibida.

«Lo que se desea es que el material tenga un cierto rango de energía en el que los electrones no puedan conducir. Se llama banda prohibida», dijo. Debido a la brecha, que esencialmente bloquea el libre flujo de electrones, se puede acumular suficiente «presión» eléctrica (también conocida como voltaje) en respuesta a la diferencia de temperatura en el material. No hay banda prohibida en los cristales de arseniuro de cadmio a granel.

Afortunadamente, el equipo tenía una ventaja: el dominio de la película delgada de la científica de materiales de la UCSB Susanne Stemmer. Con conocimientos sobre epitaxia de haces moleculares (MBE), el laboratorio de Stemmer es capaz de «cultivar» molécula por molécula materiales de alta calidad con espesores que van desde unos pocos nanómetros hasta varios micrómetros. Esto resulta particularmente útil en el caso del arseniuro de cadmio, porque la superficie del material tiene propiedades diferentes de las que se encuentran en la mayor parte del cristal.

«Una de las características distintivas de los aislantes topológicos como este es que, además de los estados conductores de electrones en el material a granel, tienen canales conductores superficiales», explicó Liao. «Hay electrones que sólo están en la superficie del material y pueden conducir electricidad».

Para crear esta etapa de efectos topológicos, Stemmer Lab creó tres películas de alta calidad cultivadas en MBE de diferentes espesores: 950 nm, 95 nm y 25 nm. «La alta movilidad de las películas de arseniuro de cadmio epitaxial nos permite revelar su naturaleza topológica mediante mediciones de transporte cuántico», explicó Stemmer.

El equipo descubrió que cuanto más delgado es el material, más evidencia de una banda prohibida. Y cuanto más fino es el material, más predominan los efectos superficiales.

«Esencialmente, si vas a dimensiones muy bajas, la mecánica cuántica comienza a desempeñar un papel, y de hecho puedes abrir la banda prohibida simplemente reduciendo el tamaño», dijo Liao, gracias a un fenómeno conocido como confinamiento cuántico. También descubrieron que cuanto más delgado era el material, mayor era la sensibilidad termoeléctrica (conocida como coeficiente de Seebeck), lo que daba como resultado un voltaje más alto en respuesta a un gradiente de temperatura y una mejora siete veces mayor en la respuesta en comparación con el estado del material. -material de arte. .

Estos efectos cuánticos se encontraron a temperaturas cercanas a cero, por lo que aunque actualmente el Cd₃Cómo₂ Las películas delgadas no se pueden utilizar en aplicaciones a temperatura ambiente o de alta eficiencia térmica, dijo Liao, y pueden ser más útiles en entornos criogénicos, que existen en muchas aplicaciones como la aviación, la medicina y la computación cuántica. «Si se utiliza un material de estado sólido altamente eficiente para la refrigeración, no se necesitarán refrigerantes peligrosos y contaminantes», afirmó.

«En la práctica, este es un descubrimiento muy útil para el enfriamiento criogénico de estado sólido a baja temperatura», agregó, «pero fundamentalmente, este trabajo es más importante porque demostramos por primera vez que este efecto de confinamiento cuántico puede mejorar algunas propiedades termoeléctricas». propiedades. Y también por primera vez, aislamos la contribución de los estados de superficie».