I ricercatori hanno recentemente presentato un innovativo metodo per trasformare il calore in elettricità sfruttando il disiliciuro di tungsteno. Questa scoperta apre la strada a dispositivi termoelettrici più efficienti, con il potenziale di rivoluzionare l’efficienza energetica in svariate applicazioni. I materiali termoelettrici, che convertono il calore in energia elettrica, giocano un ruolo fondamentale nel recupero dell’energia termica dispersa, trasformandola in una forma utilizzabile. Questi materiali risultano particolarmente vantaggiosi in settori industriali e nel campo dei trasporti, dove i motori generano notevoli quantità di calore disperso, migliorando l’efficienza energetica attraverso la produzione di elettricità aggiuntiva. Inoltre, offrono interessanti prospettive per applicazioni di alimentazione portatile, come sensori remoti e satelliti, dove le tradizionali fonti di alimentazione potrebbero non essere praticabili.
Esplorando i Dispositivi Termoelettrici Trasversali, si evidenzia che i dispositivi termoelettrici convenzionali, noti come dispositivi termoelettrici paralleli, generano tensione nella stessa direzione del flusso di calore. Questi dispositivi si basano su due tipi di materiali paralleli, di tipo p e di tipo n, che producono tensioni in direzioni opposte. Quando collegati in serie, generano una tensione più elevata, ma questa configurazione comporta un aumento dei punti di contatto, causando una maggiore resistenza e dispersione di energia.
Al contrario, i dispositivi termoelettrici trasversali generano elettricità in direzione perpendicolare al flusso di calore, offrendo un vantaggio distintivo. Con meno punti di contatto, questi dispositivi consentono una conversione energetica più efficiente. Una classe promettente di materiali per tali dispositivi include quelli con conduzione di polarità dipendente dall’asse (ADCP), noti anche come conduttori goniopolari. Questi materiali conducono cariche positive (di tipo p) in una direzione e cariche negative (di tipo n) in un’altra. Nonostante il loro potenziale, l’effetto termoelettrico trasversale (TTE) è stato finora poco esplorato.
In questo contesto, un team di ricerca giapponese, guidato dal Professore Associato Ryuji Okazaki dell’Università di Scienze di Tokyo (TUS), ha ottenuto il TTE nel semimetallo disiliciuro di tungsteno (WSi2). Sebbene studi precedenti abbiano dimostrato che il WSi2 mostra ADCP, la sua origine e il previsto TTE non erano stati confermati sperimentalmente. Questa è la prima dimostrazione diretta della conversione termoelettrica trasversale in WSi2, spiega il Prof. Okazaki.
Il loro studio è stato pubblicato il 13 novembre 2024 sulla rivista PRX Energy.
Approfondendo lo Studio sul Disiliciuro di Tungsteno, i ricercatori hanno analizzato le proprietà del WSi2 attraverso una combinazione di esperimenti fisici e simulazioni al computer. Hanno misurato il termopotenziale, la resistività elettrica e la conducibilità termica di un singolo cristallo di WSi2 lungo i suoi due assi cristallografici a basse temperature. Hanno scoperto che l’ADCP del WSi2 ha origine dalla sua struttura elettronica unica, caratterizzata da superfici di Fermi di dimensioni miste.
Una superficie di Fermi è una superficie geometrica teorica che separa gli stati elettronici occupati e non occupati dei portatori di carica all’interno di un materiale solido. Nel WSi2, gli elettroni formano superfici di Fermi quasi unidimensionali e le lacune formano superfici di Fermi quasi bidimensionali. Queste superfici di Fermi uniche creano una conducibilità specifica della direzione, consentendo l’effetto TTE.
I ricercatori hanno anche osservato variazioni nel modo in cui questi portatori di carica conducono l’elettricità da un campione all’altro, coerenti con studi precedenti. Utilizzando simulazioni basate su primi principi, i ricercatori hanno dimostrato che queste variazioni erano dovute a differenze nel modo in cui i portatori di carica si disperdono a causa delle imperfezioni nella struttura del reticolo cristallino del WSi2. Questa intuizione è fondamentale per ottimizzare il materiale e sviluppare dispositivi termoelettrici affidabili.
Elucidando il meccanismo di generazione del TTE in WSi2, questo studio compie un passo avanti verso materiali avanzati in grado di convertire il calore in elettricità in modo più efficiente, portando verso un futuro più verde.
Riferimento: Conversione Termoelettrica Trasversale nel Semimetallo a Dimensioni Miste WSi2 di Shoya Ohsumi, Yoshiki J. Sato e Ryuji Okazaki, 13 novembre 2024, PRX Energy.
