Una svolta nella termoelettrica: i campi magnetici migliorano le prestazioni di raffreddamento nei materiali topologici
Un nuovo approccio per un efficace raffreddamento termoelettrico a basse temperature
I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la Fisica Chimica dei Solidi, in collaborazione con l'Università di Chongqing e l'Istituto Max Planck per la Fisica delle Microstrutture, hanno fatto un passo avanti nella termoelettrica topologica. La loro ricerca, pubblicata su Nature Materials, ha rivelato una scoperta rivoluzionaria nel campo della termoelettrica: L'applicazione di un debole campo magnetico può migliorare significativamente le prestazioni di raffreddamento dei materiali topologici a basse temperature. In un isolante topologico Bi88Sb12 monocristallino è stata ottenuta un'elevata cifra di merito termoelettrica zT di 1,7 ± 0,2 a 180 K e con un campo magnetico di 0,7 T. Questa nuova scoperta apre nuove prospettive per il raffreddamento termoelettrico a basse temperature al di sotto dei 300 K e segna un significativo progresso nella termoelettrica magnetica, fornendo un'alternativa economica ed efficiente dal punto di vista energetico ai metodi di raffreddamento tradizionali.
Un'elevata cifra di merito termoelettrica (zT) di 1,7 è stata ottenuta in cristalli singoli dell'isolante topologico Bi88Sb12. Il grafico mostra la dipendenza dalla temperatura di zT con intensità di campo magnetico pari a zero e 0,7 Tesla.
Yu Pan, Nature materials / MPI CPfS
La tecnologia termoelettrica è favorevole alle applicazioni di raffreddamento a bassa temperatura grazie alla sua lunga durata, all'assenza di un compressore e ai bassi livelli di rumore. Viene utilizzata, ad esempio, nei viaggi spaziali, anche se l'efficienza della conversione termoelettrica dell'energia rimane bassa, soprattutto a basse temperature. Ciò è dovuto alla dipendenza dalla temperatura della figura di merito termoelettrica .
Negli ultimi anni, l'interesse per i materiali termoelettrici a bassa temperatura è aumentato anche grazie alle attività di ricerca a livello mondiale nello sviluppo e nell'indagine dei materiali topologici e della teoria topologica associata. Si stanno perseguendo diversi approcci e idee e una delle idee del team internazionale di ricercatori dell'Istituto Max Planck per la Fisica Chimica dei Solidi, dell'Università di Chongqing e dell'Istituto Max Planck di Fisica delle Microstrutture si è rivelata estremamente vincente. Sono stati in grado di raggiungere un notevole valore zT di quasi 2 a 180 K sotto l'influenza di un basso campo magnetico di soli 0,7 T nell'isolante topologico monocristallino Bi88Sb12. Questo valore è tanto più notevole in quanto è quasi tre volte superiore al valore in campo magnetico nullo. Inoltre, questo elevato valore di zT magnetico supera tutti i materiali termoelettrici noti per le basse temperature.
Per ottenere queste elevate prestazioni magnetico-termoelettriche, il passaggio cruciale è la crescita di cristalli singoli di Bi1-xSbx di alta qualità. Ciò rappresenta una grande sfida a causa della completa miscibilità di Bi e Sb, ma allo stesso tempo dei forti coefficienti di segregazione di fase, cioè la tendenza a segregarsi e a formare regioni di composizione diversa è elevata. Pertanto, il metodo della "zona fluttuante" è stato applicato utilizzando attrezzature interne per produrre cristalli singoli di alta qualità con una bassa densità di portatori di circa 1017 cm-3 e un'elevata mobilità di oltre 4 ×105 cm²V-1s-1 a 80 K. L'elevata mobilità, insieme alla dispersione di banda unica di Bi1-xSbx, è importante per la figura di merito zT eccezionalmente elevata e le eccezionali prestazioni magneto-termoelettriche di Bi1-xSbx.
La modellazione teorica mostra che la banda di Dirac con dispersione di banda lineare gioca un ruolo essenziale per un grande effetto Seebeck magnetico, che è ulteriormente rafforzato dalla scissione Zeeman dovuta al grande fattore g di Landé. Poiché molti materiali topologici hanno proprietà simili, come la dispersione lineare della banda di Dirac e una massa effettiva molto piccola (oltre a un grande fattore g), si prevede che elevate prestazioni magneto-termoelettriche possano essere presenti anche in altri nuovi materiali topologici. "Crediamo che una comprensione più approfondita delle proprietà magneto-termoelettriche di Bi1-xSbx faciliterà lo sviluppo di termoelettrici topologici per applicazioni di raffreddamento a bassa temperatura". Questa è la dichiarazione dei due autori principali Yu Pan e Claudia Felser.
I risultati dello studio supportano l'idea di utilizzare piccoli campi magnetici per aumentare significativamente le prestazioni termoelettriche. Particolarmente degna di nota è la capacità di raggiungere elevati valori di zT con campi magnetici relativamente bassi, che possono essere realizzati utilizzando magneti permanenti. Ciò apre nuove prospettive per dispositivi di raffreddamento termoelettrico efficienti ed economici. I risultati aprono anche un ampio campo di ricerca su altri materiali topologici con proprietà simili e mostrano già la possibilità di spingere i confini di queste sostanze verso valori di zT ancora più elevati.
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Pubblicazione originale
Yu Pan, Bin He, Xiaolong Feng, Fan Li, Dong Chen, Ulrich Burkhardt, Claudia Felser; "A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12"; Nature Materials, Volume 24, 2025-1-3
"A weak magnetic field enhances the thermoelectric performance of topological materials"; Nature Materials, Volume 24, 2025-1-3
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