Descubre el poder del calor: asombros termoeléctricos del arseniuro de cadmio

MadridEl exceso de calor es generado por plantas de energía, los escapes de los automóviles y las fábricas. Bolin Liao, profesor de ingeniería mecánica en UC Santa Barbara, y su equipo están trabajando en aprovechar este calor. Han estudiado las propiedades termoeléctricas de películas delgadas de arseniuro de cadmio (Cd3As2) de alta calidad.

Los investigadores están trabajando para capturar el calor residual y mejorar la eficiencia energética. El mejor material para esto debe ser buen conductor de electricidad, mal conductor de calor y capaz de generar un alto voltaje a partir de una diferencia de temperatura. Esta combinación de propiedades es difícil de encontrar, pero el arseniuro de cadmio parece prometedor.

El arseniuro de cadmio es un tipo de material conocido como semimetal de Dirac. Aunque no conduce bien el calor, permite que los electrones se muevan con facilidad. Esto lo hace excelente para la conducción eléctrica, pero genera poco voltaje cuando hay una diferencia de temperatura. Esta producción de voltaje, conocida como el efecto Seebeck, es crucial para los dispositivos que convierten el calor en electricidad.

Para generar un voltaje útil, se necesita una brecha de energía. Una brecha de energía es un rango donde los electrones no pueden conducir. En los cristales a granel de arseniuro de cadmio, no existe tal brecha. Aquí está lo que se debe lograr:

• Alta conductividad eléctrica.
• Baja conductividad térmica.
• Un voltaje sustancial bajo gradiente de temperatura.

Gracias a las habilidades de Susanne Stemmer, científica de materiales en UCSB, cuyo campo de especialización es la creación de películas delgadas, el equipo se benefició enormemente. En su laboratorio se producen materiales de alta calidad utilizando un proceso conocido como epitaxia por haces moleculares (MBE). Esta técnica permite fabricar materiales que tienen un grosor desde unos pocos nanómetros hasta varios micrómetros.

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En su investigación, crearon tres películas de arseniuro de cadmio de alta calidad con distintos espesores:

• 950 nm
• 95 nm
• 25 nm

Los materiales más delgados presentan una brecha de energía distintiva. En tamaños reducidos, la mecánica cuántica, conocida como confinamiento cuántico, genera esta brecha. Esto aumenta el coeficiente de Seebeck, lo cual incrementa la producción de voltaje.

El estudio reveló que al reducir el grosor del material, su capacidad para convertir calor en electricidad mejora. El coeficiente Seebeck, que mide esta capacidad, fue siete veces superior al del mejor material disponible actualmente. Estos efectos se observaron a temperaturas muy bajas.

Las películas delgadas de Cd3As2 aún no son adecuadas para su uso a temperatura ambiente, pero son efectivas en entornos muy fríos. Estos entornos suelen encontrarse en campos como la aeroespacial, la medicina y la computación cuántica. Un buen material de refrigeración en estado sólido podría reemplazar a los refrigerantes dañinos.

Este hallazgo es útil para aplicaciones a bajas temperaturas y demuestra que la confinación cuántica puede mejorar las propiedades termoeléctricas. Los investigadores fueron los primeros en identificar la contribución de los estados superficiales. Este trabajo es importante tanto para una mejor comprensión como para aplicaciones prácticas.