Desvendando o potencial do calor: as maravilhas termoelétricas do arseneto de cádmio

São PauloExcesso de calor é gerado por usinas de energia, escapamentos de carros e fábricas. Bolin Liao, professor de engenharia mecânica na UC Santa Barbara, e sua equipe estão trabalhando no aproveitamento desse calor. Eles investigaram as propriedades termoelétricas de filmes finos de arsenieto de cádmio (Cd3As2) de alta qualidade.

Pesquisadores estão se empenhando em capturar o calor residual para melhorar a eficiência energética. O material ideal para isso deve ser excelente na condução de eletricidade, ruim na condução de calor e capaz de gerar alta voltagem a partir de uma diferença de temperatura. Encontrar essa combinação de propriedades é um desafio, mas o arseneto de cádmio parece ser promissor.

O arseneto de cádmio é um tipo de material conhecido como semimetal de Dirac. Ele não conduz bem o calor, mas permite que os elétrons se movam facilmente. Isso o torna excelente para conduzir eletricidade, mas ele não gera muita tensão quando há uma diferença de temperatura. Essa produção de tensão, chamada de efeito Seebeck, é importante para dispositivos que convertem calor em eletricidade.

Para gerar uma tensão útil, é necessário um gap de banda. Um gap de banda é um intervalo de energia em que os elétrons não podem conduzir. Em cristais de arseneto de cádmio à granel, não existe gap de banda. Precisamos alcançar os seguintes objetivos:

• Alta condução elétrica.
• Baixa condução térmica.
• Uma tensão substancial sob um gradiente de temperatura.

A equipe aproveitou a especialização da cientista de materiais da UCSB, Susanne Stemmer, conhecida por criar filmes finos. O laboratório dela produz materiais de alta qualidade utilizando um processo chamado epitaxia por feixe molecular (MBE). Essa técnica permite fabricar materiais com espessuras que variam de alguns nanômetros a vários micrômetros.

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Em seu estudo, eles produziram três filmes de arseneto de cádmio de alta qualidade com diferentes espessuras:

• 950 nm
• 95 nm
• 25 nm

Materiais mais finos exibem uma clara lacuna de banda. Em tamanhos reduzidos, a mecânica quântica, conhecida como confinamento quântico, cria essa lacuna de banda. Isso aumenta o coeficiente Seebeck, elevando a saída de voltagem.

Um estudo revelou que a capacidade de um material de converter calor em eletricidade melhora quando ele é mais fino. O coeficiente de Seebeck, que mede essa capacidade, foi sete vezes superior ao do melhor material disponível atualmente. Esses efeitos foram observados em temperaturas muito baixas.

Filmes finos de Cd3As2 ainda não são adequados para uso em temperatura ambiente, mas mostram eficácia em ambientes extremamente frios. Esses ambientes frios são frequentemente encontrados em áreas como aeroespacial, medicina e computação quântica. Um bom material de refrigeração em estado sólido poderia substituir os refrigerantes prejudiciais.

Este achado é útil para aplicações em baixas temperaturas e revela que o confinamento quântico pode aprimorar as propriedades termoelétricas. Os pesquisadores foram os primeiros a identificar a contribuição específica dos estados de superfície. Este trabalho é importante tanto para uma melhor compreensão quanto para aplicações práticas.