Il potere del calore: le meraviglie termoelettriche del cadmio arsenide

RomeIl calore in eccesso viene generato dalle centrali elettriche, dai gas di scarico delle automobili e dalle fabbriche. Bolin Liao, professore di ingegneria meccanica presso l'Università della California a Santa Barbara, insieme al suo team, sta cercando di utilizzare questo calore. Hanno analizzato le proprietà termoelettriche di pellicole sottili di cadmio arsenico (Cd3As2) di alta qualità.

Gli scienziati stanno lavorando per catturare il calore residuo al fine di migliorare l'efficienza energetica. Il materiale ideale per questo deve condurre bene l'elettricità, essere un cattivo conduttore di calore e capace di produrre un'alta tensione grazie a una differenza di temperatura. Questa combinazione di proprietà è difficile da trovare, ma il cadmio arsenide sembra promettente.

Il cadmio arsenico è un tipo di materiale noto come semimetallo di Dirac. Questo materiale non è molto efficiente nella conduzione del calore, ma consente agli elettroni di muoversi facilmente. Grazie a questa proprietà, è ottimo per condurre l'elettricità, anche se non produce molta tensione in presenza di una differenza di temperatura. Questa produzione di tensione, chiamata effetto Seebeck, è fondamentale per i dispositivi che convertono il calore in elettricità.

Per generare una tensione utile, è necessario un gap energetico. Un gap energetico è un intervallo in cui gli elettroni non possono condurre. Nei cristalli di arseniuro di cadmio in massa, questo gap non esiste. Ecco gli obiettivi da raggiungere:

• Alta conducibilità elettrica.
• Scarsa conducibilità termica.
• Una tensione significativa sotto un gradiente di temperatura.

La squadra ha tratto vantaggio dalle competenze della scienziata dei materiali dell'UCSB, Susanne Stemmer, esperta nella creazione di film sottili. Il suo laboratorio produce materiali di alta qualità utilizzando un processo chiamato epitassia a fascio molecolare (MBE), una tecnica che permette di creare materiali con uno spessore che varia da pochi nanometri a vari micrometri.

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Nel loro studio, hanno realizzato tre pellicole di arsenico di cadmio di alta qualità con diversi spessori:

• 950 nm
• 95 nm
• 25 nm

Materiali più sottili mostrano un chiaro gap di banda. In dimensioni ridotte, la meccanica quantistica, nota come confinamento quantistico, genera questo gap. Ciò incrementa il coefficiente Seebeck, aumentando la produzione di tensione.

Lo studio ha rivelato che, quando il materiale è più sottile, la sua capacità di convertire il calore in elettricità migliora. Il coefficiente Seebeck, che misura questa capacità, è risultato essere sette volte migliore rispetto al miglior materiale attualmente disponibile. Questi effetti sono stati osservati a temperature molto basse.

Le pellicole sottili di Cd3As2 non sono ancora adatte per l'uso a temperatura ambiente, ma risultano efficaci in ambienti molto freddi. Questi contesti freddi si trovano frequentemente in settori come l'aerospazio, la medicina e l'informatica quantistica. Un buon materiale di raffreddamento allo stato solido potrebbe sostituire i refrigeranti dannosi.

La scoperta è utile per applicazioni a bassa temperatura e dimostra che il confinamento quantico può migliorare le proprietà termoelettriche. I ricercatori sono stati i primi a distinguere chiaramente il contributo degli stati superficiali. Questo lavoro è cruciale sia per una migliore comprensione che per applicazioni pratiche.