Efecto de la adición de películas delgadas de Bi2Te3 en el coeficiente Seebeck del grafeno

Abstract

En el mundo cada vez se sienten más las consecuencias del cambio climático. Climas más extremos, inundaciones inesperadas, derretimiento de las grandes masas de hielo, entre otros fenómenos que son consecuencia de la presencia humana sobre el planeta, provocan grandes problemas a la mayor parte de las comunidades humanas como desplazamientos masivos e imposibilidades para acceder a los alimentos en poblaciones con menores recursos. Una parte de las razones del cambio climático está asociada con la generación de energía para consumo humano, que tiene como principales fuentes el carbón, el petróleo y el gas natural, cuya extracción y utilización cambia a largo plazo la composición de la atmósfera y simultáneamente cambia la forma como esta regula la temperatura de la tierra. Es por esto que cada vez se vuelve más urgente la necesidad de encontrar fuentes alternativas de energía limpia. En esta búsqueda se han encontrado a los generadores termoeléctricos, que son capaces de utilizar la energía desperdiciada en forma de calor para generar electricidad. Entre las aplicaciones de estos generadores se encuentran los termoeléctricos flexibles (FTE, por sus siglas en inglés), que son dispositivos delgados (menos de 1cm de grosor) que pueden estirarse y doblarse sin disminuir mucho su eficiencia como generador de energía. Los FTE pueden tener aplicaciones interesantes el sector de la salud, la industria militar, o incluso en dispositivos móviles debajo consumo. Con el objetivo de caracterizar materiales termoeléctricos y construir dispositivos termoeléctricos flexibles, en este proyecto se caracterizaron muestras exfoliadas de Bi2Te3, un material termoeléctrico por excelencia. Para exfoliar este material se utilizó el método de intercalación en fase líquida, optimizado para el BiTe3 en el laboratorio de Nanomateriales de la Universidad de los Andes. Se encontró que el material exfoliado presenta un coeficiente de extinción de 182,06(±2, 75 %) ml mg¿1 m¿1 y un band gap que se encuentra entre 0,64eV y 0,97eV. Así mismo, se construyeron seis dispositivos termoeléctricos flexibles que contenían distintas cantidades de Bi2Te3 y grafeno, impresos sobrpoliester por medio de la técnica de serigrafía que ya había sido probado exitosamente anteriormente en el laboratorio de Nanomateriales de la Universidad de los Andes. Los dispositivos fabricados presentaron un coeficiente Seebeck que varia desde -45,38 µV/K (sólo grafeno) hasta 41,18µV/K (20 % Bi2Te3), en donde a medida que aumenta la cantidad de Bi2Te3, el coeficiente Seebeck aumenta. Este comportamiento mostraría que al mezclarse un semiconductor tipo N (como el grafeno), con un semiconductor tipo P (como el Bi2Te3), el valor absoluto del coeficiente Seebeck respecto al coeficiente del material sin mezclar disminuiría.

Every day we can feel more and more the consequences of climate change on planet Earth. We are seeing extreme climates, unexpected floods, melting glaciers, and other phenomena as a consequence of the presence of humans on the planet, which in turn causes big problems for human communities such as mass migrations and limited access to food, especially for low-income communities. One reason for climate change is linked to the production of energy for human consumption, which primarily uses carbon, petroleum, and natural gas as main sources. This, however, leads to the production of greenhouse gasses that change the atmospheric composition and thus change the way the atmosphere regulates climate on Earth. For this reason, finding alternative green energy sources is becoming more of a pressing matter with each passing day. While on this search, scientist have found thermoelectric generators, which can use energy in the form of heat that is being wasted to generate electricity. Within this group of generators we can find flexible thermoelectric generators (FTE). FTEs are thin devices that can bend and stretch without losing their thermoelectric properties. FTEs can be used in the healthcare industry, on the military industry, or even on low-power devices. With the aim of characterizing thermoelectric materials and building FTEs, for this project we characterized exfoliated solutions of Bi2Te3, a classic thermoelectric material. To exfoliate this material, we used the liquid-phase intercalation method, optimized for Bi2Te3 in the Nanomaterials Lab at University of Los Andes. We found that the exfolia ted material has an extinction coefficient of 182,06(±2, 75 %) ml mg¿1 m¿1 and it has a band gap located between 0,64eV and 0,97eV. Additionally, we built six FTEs with different amounts of Bi2Te3 and graphene printed on polyester using the Screen Printing technique, which was used before in the Nanomaterials Lab at University of Los Andes. The devices had a Seebeck coefficient between -45,38 µV/K (with only graphene) and 41,18 µV/K (20 % graphene), where Seebeck coefficient increases as the amount of i2Te3 increases. This behavior shows that when a N-type semiconductor (as graphene) is mixed with a P-type semiconductor (as Bi2Te3), the absolute value of the Seebeck coefficient of the mixture with respect to the non-mixed Seebeck coefficient is reduced.