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Cristal en capas mejora la conversión de calor residual
Investigadores de Science Tokyo desarrollaron TlFe1.6Se2, un cristal macroscópico que combina alta potencia termoeléctrica con una conductividad térmica cercana a 0.2 W m-1 K-1.
Imagen: TechXplore
Un cristal en capas desarrollado en Science Tokyo combina el comportamiento eléctrico del selenuro de hierro de grosor atómico con una conducción térmica inusualmente pobre; una combinación que podría mejorar la conversión del calor residual industrial y automotriz en electricidad.
El material, TlFe1.6Se2, incorpora capas periódicas de selenuro de hierro de un solo átomo de espesor (FeSe) dentro de un cristal macroscópico que contiene vacantes de hierro ordenadas. El equipo dirigido por el profesor Takayoshi Katase lo diseñó para abordar un antiguo compromiso termoeléctrico: los materiales deben conducir la electricidad de forma eficaz al mismo tiempo que bloquean el calor lo suficiente para mantener la diferencia de temperatura que genera la energía.
Los sistemas termoeléctricos podrían recuperar energía de fábricas, automóviles y centrales eléctricas. Pero el alto factor de potencia termoeléctrica observado en películas ultrafinas de FeSe ha sido difícil de reproducir en un material macroscópico práctico, mientras que el FeSe macroscópico en sí conduce demasiado calor.
Cómo TlFe1.6Se2 controla el calor y la electricidad
Las capas de FeSe incorporadas generan un factor de potencia termoeléctrica sustancialmente mayor que el del FeSe macroscópico convencional, principalmente debido a un coeficiente de Seebeck mucho mayor. Esto demuestra que las propiedades electrónicas del FeSe de grosor atómico pueden integrarse en un cristal de mayor tamaño.
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Al mismo tiempo, las vacantes de hierro en las capas de FeSe deforman los enlaces atómicos cercanos y dispersan los fonones que transportan calor. Los átomos pesados de talio y la compleja estructura en capas del cristal reducen además las velocidades de los fonones e incrementan la dispersión.
A unos 180°C, TlFe1.6Se2 cambia de forma reversible de una fase con vacantes de hierro ordenadas a una fase desordenada. Esa transición aumenta la dispersión de fonones y reduce la conductividad térmica hasta aproximadamente 0.2 W m-1 K-1, comparable o inferior a la de los materiales termoeléctricos de última generación.
La disposición de las vacantes también afecta el transporte eléctrico. En la fase ordenada, el coeficiente de Seebeck supera los 100 μV K-1 y el factor de potencia termoeléctrica es aproximadamente cinco veces mayor que en la fase desordenada. El equipo atribuye este aumento a cambios en la estructura electrónica causados por las vacantes ordenadas.
«Este trabajo demuestra la eficacia de un nuevo concepto de diseño en el que la funcionalidad de materiales de baja dimensión se integra dentro de cristales macroscópicos. Los resultados ofrecen una vía prometedora para el desarrollo de materiales termoeléctricos de nueva generación que superen los compromisos convencionales entre las propiedades de transporte eléctrico y térmico.»
Los hallazgos, publicados en Journal of Materials Chemistry A, señalan una estrategia de diseño que integra la funcionalidad de películas delgadas en compuestos macroscópicos en lugar de optimizar únicamente los materiales termoeléctricos existentes. Los investigadores afirman que compuestos relacionados de FeSe que contengan potasio, rubidio o cesio podrían ofrecer vías adicionales para ajustar las concentraciones de vacantes de hierro y el rendimiento termoeléctrico.
Publicación: Xinyi He et al., «Mejora simultánea del factor de potencia y supresión de la conductividad térmica en TlFe 1.6 Se 2 macroscópico mediante capas de FeSe de grosor atómico incrustadas», Journal of Materials Chemistry A (2026). DOI: 10.1039/d6ta02075e
Frontier Editor
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vía TechXplore
