Primeira caracterização abrangente das extraordinárias propriedades termoelétricas de filmes finos de arsenieto de cádmio

Se há uma coisa em que nós, humanos, somos bons é produzir calor: quantidades significativas e, em muitos casos, perdemos a maior parte da energia que geramos e colocamos nos nossos sistemas sob a forma de calor, sejam eles os nossos eletrodomésticos, os nossos transportes, as nossas fábricas, até mesmo nossa rede elétrica.

“O calor residual está em todo lugar”, disse o professor de engenharia mecânica da UC Santa Barbara, Bolin Liao, especialista em ciência térmica e energia renovável. “Nossas usinas de energia, nossos canos de escapamento de carros — há tantos lugares onde criamos excesso de calor residual.”

No momento, estamos bastante limitados em como podemos aproveitar ao máximo essa dissipação de calor. Mas os colegas de Liao e da UCSB, juntamente com colaboradores da Universidade Estadual de Ohio e da Universidade de Hong Kong, estão avançando no sentido de colocar esse calor em uso, com uma caracterização abrangente pela primeira vez das propriedades termoelétricas de filmes finos de arsenieto de cádmio de alta qualidade.

“Se pudéssemos colher esse calor residual, seria fantástico”, disse ele. “Isso realmente aumentaria a nossa eficiência energética e também seria uma fonte de energia realmente sustentável.”

A pesquisa da equipe é publicada na revista Materiais avançados.

Um melhor material termoelétrico

“Para obter alta eficiência, precisamos que o material conduza bem a eletricidade, conduza mal o calor e gere uma alta voltagem para uma dada diferença de temperatura”, disse Liao. A má condução de calor minimiza a dissipação de calor enquanto mantém uma diferença de temperatura no material, resultando em uma corrente elétrica aprimorada pela condutividade elétrica de alto desempenho do material. A voltagem resultante de um gradiente de temperatura é conhecida como efeito Seebeck.

Essa combinação de propriedades de transporte elétrico e térmico é ideal, mas, segundo Liao, “muito difícil de conseguir na prática”.

Digite arsenieto de cádmio (Cd₃Como₂), um semimetal de Dirac com propriedades de transporte promissoras, em particular, baixa condutividade térmica e alta mobilidade eletrônica.

“Estávamos muito animados com esse material e pensamos: ‘Ok, isso é realmente uma combinação dessas duas grandes propriedades’”, disse Liao. “Mas há apenas um problema. Esse problema era que, além da boa condução elétrica e da má condução térmica, você também precisa que esse material seja capaz de gerar voltagem suficiente sob um gradiente de temperatura.”

Como um semimetal, o arsenieto de cádmio é excelente em conduzir eletricidade muito rapidamente, mas gera apenas uma voltagem Seebeck muito pequena. Para criar uma voltagem útil, Liao explicou, seria necessário abrir uma lacuna de banda.

“Você quer que este material tenha uma certa faixa de energia onde os elétrons não possam conduzir. Isso é chamado de band gap”, disse ele. Por causa da lacuna, que essencialmente bloqueia o fluxo livre de elétrons, uma “pressão” elétrica suficiente (também conhecida como voltagem) pode se acumular em resposta a uma diferença de temperatura no material. Em cristais de arsenieto de cádmio a granel, não há gap.

Felizmente, a equipe teve uma vantagem, na forma da habilidade em filmes finos da cientista de materiais da UCSB, Susanne Stemmer. Com experiência em epitaxia por feixe molecular (MBE), o laboratório de Stemmer é capaz de “cultivar”, molécula por molécula, materiais de alta qualidade com espessuras que variam de alguns nanômetros a vários micrômetros. Acontece que isso é particularmente útil no caso do arsenieto de cádmio, pois há propriedades na superfície do material que são distintas daquelas na maior parte do cristal.

“Uma assinatura de isoladores topológicos como este é que, além dos estados condutores de elétrons dentro do material a granel, eles possuem canais condutores de superfície”, explicou Liao. “Existem elétrons que residem apenas na superfície do material e podem conduzir eletricidade”.

Para preparar o cenário para esses efeitos topológicos, o Stemmer Lab criou três filmes de alta qualidade cultivados por MBE de espessuras variadas: 950 nm, 95 nm e 25 nm.

“As altas mobilidades dos filmes epitaxiais de arsenieto de cádmio permitem revelar sua natureza topológica por meio de medições de transporte quântico”, explicou Stemmer.

A equipe descobriu que quanto mais fino o material, mais evidências havia de uma lacuna de banda. E, quanto mais fino o material, mais os efeitos de superfície dominam.

“Basicamente, se você for para dimensões muito baixas, a mecânica quântica começa a desempenhar um papel, e você pode realmente abrir uma lacuna de banda apenas diminuindo o tamanho”, disse Liao, devido a um fenômeno conhecido como confinamento quântico. Eles também descobriram que quanto mais fino o material, maior a sensibilidade termoelétrica (conhecida como coeficiente de Seebeck), resultando em mais voltagem em resposta ao gradiente de temperatura, uma resposta aumentada sete vezes em comparação com o material de última geração. .

Esses efeitos quânticos foram encontrados em temperaturas próximas de zero, portanto, embora atualmente o Cd₃Como₂ filmes finos não podem ser utilizados em aplicações de temperatura ambiente ou alta eficiência térmica, disse Liao, eles podem ser mais imediatamente úteis em ambientes criogênicos, que existem em muitas aplicações, como aeroespacial, medicina e computação quântica.

“Se você estiver usando um material de estado sólido muito eficiente para resfriamento, não precisará de refrigerantes perigosos e poluentes”, disse ele.

“Praticamente, é uma descoberta muito útil para resfriamento criogênico de estado sólido em baixa temperatura”, acrescentou ele, “mas fundamentalmente, este trabalho é mais importante porque demonstramos pela primeira vez que esse efeito de confinamento quântico pode melhorar algumas propriedades termoelétricas , e também pela primeira vez isolamos a contribuição dos estados de superfície.”