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Dario Narducci

Dipartimento di Scienza dei Materiali

ERC NanothermMA: dall’esperimento alla simulazione andata e ritorno

Il progetto ERC Starting Grant NanothermMA, in cui l’università di Milano-Bicocca è partner sperimentale della University of Warwick, UK, è un esempio interessante di come, soprattutto nel campo della scienza dei materiali, sperimentali e teorici possano operare con successo all’ottenimento di risultati fortemente innovativi.

Il progetto ERC Starting Grant NanothermMA, in cui l’università di Milano-Bicocca è partner sperimentale della University of Warwick, UK, è un esempio interessante di come, soprattutto nel campo della scienza dei materiali, sperimentali e teorici possano operare con successo all’ottenimento di risultati fortemente innovativi. L’idea del progetto nasce da una collaborazione informale tra il mio gruppo di ricerca e, ai tempi, i gruppi di fisica computazionale della NCSR Demokritos (Grecia) e della Technical University of Vienna (Austria). Nell’ambito di un’attività di ricerca che avrebbe poi dato anche vita al Consorzio Delta Ti Research, avevamo osservato un simultaneo incremento della conducibilità elettrica e del coefficiente Seebeck in silicio nanocristallino fortemente drogato con boro. Un tale contemporaneo aumento era assai inatteso, dato che la teoria prevede un andamento esattamente opposto. Il risultato di questa anomalia, ampiamente confermata attraverso un’estesa campagna di validazione, era quello di determinare un notevole aumento del fattore di potenza termoelettrica, che qualificava il silicio (di suo un pessimo materiale termoelettrico) per applicazioni nella conversione di calore in energia elettrica. Mancava tuttavia un’interpretazione teorica del fenomeno, per la quale aprimmo una collaborazione informale con i due gruppi teorici. In breve, la loro modellazione dimostrò come l’anomalia osservata potesse essere spiegata attraverso un meccanismo di “filtraggio” delle lacune di più bassa energia da parte delle barriere di potenziale generate dalla precipitazione di boro ai bordi grano (Fig. 1). La serie di articoli prodotti congiuntamente con i colleghi teorici ebbe una forte risonanza nella comunità termoelettrica e suggerirono al collega Neophytou, nel frattempo trasferitosi da Vienna a Warwick, di presentare una proposta di progetto ERC Starting Grant inteso a validare ulteriormente il modello e a estenderlo a nanostrutture top-down disegnate ad hoc per massimizzare l’effetto di filtraggio. Bicocca (anche in collaborazione con l’Università di Pisa) giocava in questo il ruolo di partner sperimentale, cui veniva demandato il compito di progettare e preparare le nanostrutture. A dispetto della complessità della parte sperimentale del progetto, la collaborazione ha condotto a risultati significativi sia sul versante teorico-computazionale sia su quello sperimentale-applicativo. Sul piano teorico, è stato possibile evidenziare le opportunità di accrescere il fattore di potenza termoelettrico in nanofili con idonei profili di drogaggio – un risultato assai promettente nella logica di estendere le strategie di filtraggio elettronico anche ad altre classi di materiali; è stato inoltre possibile sviluppare e validare (in rapporto a dati sperimentali) un codice aperto, reso gratuitamente disponibile all’intera comunità scientifica, utile per simulare processi di trasporto in nanostrutture. Sul versante sperimentale, è stato possibile migliorare ulteriormente i già elevati fattori di potenza termoelettrica in film sottili di silicio nanocristallino, ottenendo efficienze termoelettriche del tutto confrontabili con quelle di Bi2Te3, l’attuale materiale di riferimento nei dispositivi commerciali. La possibilità di sostituire i tellururi con un materiale a basso costo come il silicio apre formidabili prospettive di largo impiego dei sistemi termoelettrici sia per l’alimentazione elettrica di sensori wireless, su cui si basa l’Internet of Things, sia nell’ambito della telemedicina – due obiettivi chiave del programma Horizon Europe.

Schema del meccanismo di filtraggio delle lacune. La presenza di barriere (ϵb) determina la localizzazione delle lacune ‘fredde”. La riduzione della densità di portatori (di calore e di carica) determina un aumento del coefficiente Seebeck. La riduzione dei portatori, che implicherebbe anche una diminuzione della conducibilità elettrica, è compensata dalla accresciuta mobilità delle lacune “calde”, le sole che contribuiscono ai processi di trasporto.

 

This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement No 678763)

Dario Narducci

Dipartimento di Scienza dei Materiali

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