Los materiales termoeléctricos, que convierten el calor en electricidad, son herramientas que capturan el calor residual y lo transforman en electricidad utilizable. Estos materiales son especialmente útiles en industrias y vehículos donde los motores producen mucho calor residual, además de ser un potencial para la generación de energía portátil, en sensores remotos, donde las fuentes de energía tradicionales pueden resultar poco prácticas. Los investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio y de la Universidad de Saitama han presentado una novedosa conversión transversal de calor a electricidad, mediante el uso de un nuevo material.
Los dispositivos termoeléctricos tradicionales, conocidos como dispositivos termoeléctricos paralelos, generan un voltaje en la misma dirección que el flujo de calor. Estos dispositivos suelen utilizar dos tipos de materiales paralelos, el tipo p y el tipo n, que generan voltajes en direcciones opuestas. Al conectarlos en serie, se puede generar un voltaje más fuerte. Sin embargo, esto también conduce a un mayor número de puntos de contacto, lo que aumenta la resistencia eléctrica y, en consecuencia, la pérdida de potencia.
En cambio, los dispositivos termoeléctricos transversales generan electricidad perpendicular al flujo de calor. Esto permite utilizar menos contactos y, por lo tanto, lograr una conversión termoeléctrica más eficiente. Los materiales con polaridad de conducción dependiente del eje (ADCP) o conductores goniopolares, que conducen cargas positivas (tipo p) en una dirección y cargas negativas (tipo n) en otra, son candidatos prometedores para dispositivos termoeléctricos transversales.
Uso del material WSi 2
En este sentido, los investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio y de la Universidad de Saitama lograron una demostración directa del efecto termoeléctrico transversal (TTE) en el semimetal disiliciuro de tungsteno (WSi 2).
Los investigadores analizaron las propiedades de WSi 2 mediante una combinación de experimentos físicos y simulaciones por computadora. Midieron la termopotencia, la resistividad eléctrica y la conductividad térmica de un monocristal de WSi 2 a lo largo de sus dos ejes cristalográficos a bajas temperaturas. Descubrieron que el ADCP de WSi 2 se origina a partir de su estructura electrónica única, que presenta superficies de Fermi de dimensiones mixtas. Esta estructura revela que los electrones y los huecos (portadores de carga positiva) existen en diferentes dimensiones.
Una superficie de Fermi es una superficie geométrica teórica que separa los estados electrónicos ocupados y desocupados de los portadores de carga dentro de un material sólido. En WSi 2, los electrones forman superficies de Fermi cuasi unidimensionales y los huecos forman superficies de Fermi cuasi bidimensionales. Estas superficies de Fermi únicas crean conductividad específica de la dirección, lo que permite el efecto TTE.
Conducción de la electricidad
Los investigadores también observaron variaciones en la forma en que estos portadores de carga conducen la electricidad de una muestra a otra, en consonancia con estudios anteriores. Mediante simulaciones basadas en principios básicos, los investigadores demostraron que estas variaciones se debían a diferencias en la forma en que los portadores de carga se dispersan debido a imperfecciones en la estructura de red cristalina de WSi 2. Este conocimiento es clave para perfeccionar el material y desarrollar dispositivos termoeléctricos fiables.
Además, demostraron la generación directa de TTE en WSi 2 aplicando una diferencia de temperatura a lo largo de un ángulo específico en relación con ambos ejes cristalográficos, lo que da como resultado un voltaje perpendicular a la diferencia de temperatura. Al dilucidar el mecanismo de generación de TTE en WSi 2, este estudio da un paso más hacia materiales avanzados que pueden convertir el calor en electricidad de manera más eficiente, lo que conduce a un futuro más verde.