Theo báo chí nước ngoài, các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học Tokyo và Đại học Saitama đã thực hiện hiệu ứng nhiệt điện ngang (TTE) trong bán kim loại disilicide tungsten (WSi2). Nghiên cứu trước đây đã xác nhận tính dẫn điện liên quan đến trục (ADCP) của WSi2, nhưng các thử nghiệm sớm chưa xác định nguồn gốc và TTE dự kiến của hiệu ứng này. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí PRX Energy.
(Nguồn ảnh: Đại học Khoa học Tokyo)
Chất liệu nhiệt điện có khả năng thu thập nhiệt thải và chuyển đổi nó thành điện năng hữu ích. Những vật liệu này đặc biệt có giá trị cho các ngành công nghiệp và phương tiện vận tải sản sinh ra nhiệt thải lớn, bằng cách chuyển đổi nhiệt thừa thành động lực bổ sung để cải thiện hiệu quả năng lượng. Chúng cũng có tiềm năng để phát điện di động, phục vụ cho vệ tinh và cảm biến từ xa, nơi nguồn điện truyền thống có thể không khả thi.
Các thiết bị nhiệt điện truyền thống (còn gọi là thiết bị nhiệt điện song song) tạo ra điện áp cùng hướng với chiều đi của nhiệt. Những thiết bị này thường sử dụng hai loại vật liệu p-type và n-type, có khả năng sinh ra điện áp hướng ngược nhau. Khi các vật liệu này được kết nối theo chuỗi, điện áp cao hơn có thể được tạo ra. Tuy nhiên, nhiều điểm tiếp xúc hơn sẽ làm tăng điện trở, từ đó giảm công suất đầu ra.
Ngược lại, các thiết bị nhiệt điện ngang có thể tạo ra năng lượng điện vuông góc với chiều đi của nhiệt, cho phép chuyển đổi nhiệt điện hiệu quả hơn với ít điểm kết nối hơn. Các vật liệu có tính dẫn điện theo phương “ADCP”, trong đó dẫn điện dương (p-type) theo một hướng và dẫn điện âm (n-type) theo hướng khác, là những ứng cử viên hứa hẹn cho các thiết bị nhiệt điện ngang. Tuy nhiên, cho đến nay, có rất ít thông số liệu trực tiếp về TTE.
Người đứng đầu nhóm nghiên cứu, phó giáo sư Ryuji Okazaki từ Đại học Khoa học Tokyo cho biết: “Hiện tượng chuyển đổi nhiệt điện ngang đang ngày càng thu hút sự chú ý như một công nghệ cốt lõi mới có khả năng đo lường nhiệt độ và dòng nhiệt. Tuy nhiên, số lượng vật liệu này rất hạn chế và chưa có các hướng dẫn thiết kế. Đây là lần đầu tiên trình diễn trực tiếp chuyển đổi nhiệt điện ngang trong WSi2.”
Các nhà nghiên cứu đã kết hợp mô hình máy tính và thử nghiệm thực tế để kiểm tra các đặc điểm của WSi2. Họ khảo sát thế nhiệt điện, điện trở và độ dẫn nhiệt của tinh thể đơn WSi2 dọc theo hai trục tinh thể của nó ở nhiệt độ thấp. Họ phát hiện rằng ADCP của WSi2 xuất phát từ cấu trúc điện tử độc đáo của nó, bao gồm bề mặt Fermi đa chiều. Cấu trúc này chứng minh rằng điện tử và lỗ trống (hạt mang điện dương) tồn tại trong các chiều không giống nhau. Bề mặt Fermi là một bề mặt hình học giả định phân ngăn trạng thái điện tử được chiếm và chưa được chiếm trong vật chất rắn. Trong WSi2, lỗ trống tạo ra bề mặt Fermi gần hai chiều, trong khi điện tử tạo ra bề mặt Fermi gần một chiều. Tính dẫn điện hướng mà những bề mặt Fermi đặc biệt sản sinh ra khiến hiệu ứng TTE trở nên khả thi.
Nhất quán với nghiên cứu trước đó, các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng có sự khác biệt về độ dẫn của các hạt mang điện giữa các mẫu khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng những khác biệt này là do sự thay đổi cách tán xạ các hạt mang điện do các khuyết tật trong cấu trúc mạng tinh thể của WSi2.
Sự hiểu biết này rất quan trọng cho việc cải tiến vật liệu và tạo ra các thiết bị nhiệt điện đáng tin cậy. Họ cũng đã chỉ ra rằng bằng cách áp dụng độ chênh lệch nhiệt độ theo các góc cụ thể liên quan đến hai trục tinh thể, có thể tạo ra TTE trực tiếp trong WSi2, từ đó tạo ra điện áp vuông góc với độ chênh lệch nhiệt độ.
Ryuji Okazaki cho hay: “Kết quả cho thấy WSi2 là vật liệu ứng cử viên hứa hẹn cho các thiết bị TTE. Chúng tôi hy vọng nghiên cứu này sẽ thúc đẩy việc phát triển các cảm biến mới, cũng như khám phá các vật liệu nhiệt điện ngang mới.”
Bằng cách làm sáng tỏ cơ chế sinh ra TTE trong WSi2, nghiên cứu này đã thúc đẩy phát triển các vật liệu tiên tiến có khả năng chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng hiệu quả hơn, góp phần vào một tương lai xanh hơn.
