.jpg)
Academia Română a fost creată în 1866 pentru a cristaliza cele mai înalte valori intelectuale din provinciile românești într-o societate erudită menită să consolideze identitatea națională pe baza a patru componente esențiale: limbă și literatură, istorie, etnografie și cultură. La...
Epoca de Fier a Termoelectricitatii
• Fierul, elementul ce a marcat zorii civilizaţiei, poate produce o revoluţie şi în termoelectricitate datorită transportului electronic în dimensiuni reduse
Materialele termoelectrice sunt promiţătoare pentru utilizarea lor în aplicaţii legate de generarea energiei, dispozitive de răcire şi senzori, dar exploatarea lor la scală largă este încă îngreunată de eficienţe scăzute de conversie. În 1996, Mahan şi Sofo[1] au arătat că materialele care maximizează eficienţa termoelectrică trebuie să combine distribuţii de transport înguste în energie şi mobilităţi mari ale purtătorilor de sarcină. Până nu demult, acestea erau considerate cerinţe contradictorii, deoarece distribuţiile înguste sunt asociate la benzi electronice plate şi mobilităţile mari la benzi dispersive în energie. De atunci, nu a apărut nici o soluţie definitivă cu privire la tipul de materiale care ar putea îndeplini aceste proprietăţi. Recent, Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice şi Moleculare (INCDTIM) Cluj-Napoca a demonstrat posibilitatea de a combina aceste cerinţe în materiale semiconductoare solide, profitând de caracterul extrem de direcţional al unor stări electronice, cum ar fi orbitalii d ai fierului, care produc un tip de transport electronic în dimensiuni reduse similar cu cel vizat în nanostructuri[2].
Provocări în termoelectricitatea modernă
Identificarea surselor alternative şi regenerabile de energie, şi eficientizarea lor pentru diferite tipuri de aplicaţii sunt provocări principale ale societăţii moderne. În multe aplicaţii este nevoie de tehnologii capabile să deservească misiunile spaţiale pentru perioade foarte îndelungate de timp, să recupereze energia termică risipită în mediul ambiant de marii consumatori energetici şi în industria auto.
Una dintre aceste tehnologii este aceea a dispozitivelor termoelectrice, care exploatează capacitatea anumitor materiale de conversie directă şi reversibilă a energiei termice în energie electrică. Deşi principiul de bază este cunoscut încă din secolul al 19-lea, materiale capabile să realizeze o astfel de conversie sunt rare şi relativ ineficiente. Un termoelectric "bun" necesită proprietăţi ce combină trăsături aparent antagoniste. În primul rând, trebuie să fie un bun conductor electric şi un rău conductor termic, dar, de obicei, cele două trăsături sunt interlegate. Pe de altă parte, este necesar ca materialul să fie un semiconductor dopat cu cât mai mulţi purtători de sarcină, şi în acelaşi timp purtătorii trebuie să fie extrem de mobili. Şi această cerinţă este dificil de realizat în practică, după cum explică autorii prin analogie. "Benzile electronice sunt la fel ca şi benzile de autostradă: fie există câteva maşini ce pot să se deplaseze rapid; fie există o mulţime care se vor deplasa mai lent! Dacă vrei să creşti traficul fără a reduce viteza, trebuie să creezi mai multe benzi de dimensiuni mai mici folosind eficient spaţiul fizic (Figura 1). Benzile de dimensiuni reduse, ce vor permite deplasarea maşinilor la viteze mari şi la distanţe mici între ele, vor fi posibile în viitorul apropiat ca urmare a progresului tehnologic şi inovării din domeniile senzorilor, comunicaţiilor wireless şi apliacţiilor destinate conducerii automate".
Soluţii inovatoare de la INCDTIM
Într-un studiu publicat recent în revista Physical Review Letters [3], noi prezentăm o soluţie originală pentru a creşte numărul purtătorilor de sarcină păstrând în acelaşi timp mobilitatea lor mare. Soluţia se basează pe ingineria la scală atomică: "variind compoziţia chimică a materialelor, astfel încât să construim o reţea ultra densă şi tridimensională în care electronii se deplasează în dimensiuni reduse (Figura 2)". Transportul electronic în dimensiuni reduse este realizat la scala cea mai mică posibilă a unui singur strat atomic prin exploatarea caracterului direcţional al unor orbitali atomici de tip d (Figura 2 b, c) ce conferă un transport electronic foarte anisotropic. Prin urmare, soluţia are ca origine transportul electronic în dimensiuni reduse, ce poate amplifica dramatic performanţa termoelectrică şi relevanţa acestei noi paradigme a fost demonstrată teoretic prin simulări la scală atomică în compuşii intermetalici Heusler pe bază de fier cu formula chimică Fe2YZ (ca ex. Fe2TiSi sau Fe2TiSn, Figura 2 a).
Foarte interesant, transportul electronic în dimensiuni reduse este obţinut în materiale solide cu simetrie cubică, şi acest transport îşi păsterază proprietăţile izotropice. Astfel de trăsături funcţionale merg dincolo de ceea ce poate fi realizat în materiale nanostructurate artificial [2]. Realizarea unui asemenea transport electronic în dimensiuni reduse în materiale izotropice solide este exotic şi de interes pentru multe aplicatii practice cum sunt cele termoelectrice, fotovoltaice şi electronice.
Rezultatele originale obţinute în urma studiului sunt interesante şi din alte perspective. În primul rând, prezic proprietăţi termoelectrice într-o clasă de materiale care combină elemente larg disponibile, ieftine şi netoxice, consolidând astfel perspective concrete pentru utilizarea lor la scală largă în aplicaţii. Pe de altă parte, conceptul teoretic, folosit pentru a creşte numărul de purtători de sarcină păstrând simultan mobilitatea lor, este complet generic şi transferabil la alte clase de materiale ...
Perspective
Soluţiile inovatoare găsite sunt în prezent demonstrate doar la nivel teoretic. Totuşi, este important de menţionat că ele deschid un câmp vast în cercetarea experimentală pentru a identifica metoda ideală de fabricare a unor materiale avansate de acest tip, ce implică reducerea dezordinii şi a defectelor atomice, şi creşterea semnificativă a purtătorilor de sarcină fară a afecta proprietăţile electronice. Dacă se va reuşi fabricarea acestor materiale avansate solide, ele ar putea avea un impact mare pe piaţa termoelectricilor, permiţând dezvoltarea de aplicaţii termoelectrice la scală largă, mai eficiente şi la un preţ relativ mai scăzut. În viitorul apropiat, INCDTIM şi coloaboratorii lui vor lua măsuri concrete pentru fabricarea materialelor şi validarea experimentală.
Rezultatele au fost obţinute de Dr. Daniel I. BÎLC, cercetător la INCDTIM Cluj-Napoca, în colaborare cu Prof. Philippe GHOSEZ de la Universitatea din Liège, Prof. Gian-Marco RIGNANESE, Prof. Geofroy HAUTIER şi Dr. David WAROCQUIERS de la Universitatea Catolică din Louvain (UCL). Această cercetare a fost iniţiată prin proiectul CoGeTher condus de Prof. Pascal JACQUES, UCL, şi finanţat de regiunea Valonă prin intermediul programului EnergyWal, şi a fost continuată prin proiectul bilateral între Wallonie-Bruxelles International (WBI) şi Academia Română de Ştiinţe. De asemenea, cercetarea a beneficiat de suport financiar prin proiectele TheMoTherm şi HiT4FiT finantate de F.R.S.-FNRS. Autorii mulţumesc Dr. Filip Claudiu pentru discuţii utile.
Referinţe
1. G. D. Mahan and J. O. Sofo, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 7436 (1996).
2. L. D. Hicks and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 47, 12727 (1993).
3. D. I. Bilc, G. Hautier, D. Waroquiers, G.-M. Rignanese, şi Philippe Ghosez, Phys. Rev. Lett. 114, 136601 (2015).
Parerea ta conteaza: 
