Diseño y simulación de dispositivos termoeléctricos eficientes en la nanoescala

El proyecto DEMETER pretende diseñar y modelizar nuevos dispositivos termoeléctricos eficientes en la nanoescala.

El proyecto se divide en tres partes o paquetes de trabajo. En la primera parte se estudiarán dispositivos verticales. Éstos incluyen heteroestructuras de van der Waals – apilamientos de materiales bidimensionales unidos por fuerzas de van der Waals-, y estructuras híbridas de materiales bidimensionales y fulerenos. Se propone el uso de estos materiales para diseñar dispositivos termoeléctricos de tamaño nanométrico escalables e integrables. El objetivo es buscar nanoestructuras que tengan interfaces entre distintos materiales que supriman la conductancia térmica de fonones y que tengan altas y asimétricas densidades de estados al nivel de Fermi que aumenten la conductancia eléctrica y el coeficiente Seebeck. La combinación sinérgica de ambos fenómenos aumentaría la figura de mérito y por tanto la eficiencia termoeléctrica. También se buscarán nuevos materiales bidimensionales y explotar efectos de interferencia cuántica y el grado de libertad del espín mediante el uso de variantes de fulerenos.

En la segunda parte se estudiarán uniones moleculares en geometrías horizontales. El material elegido en este caso para los electrodos será grafeno. Se incorporarán las moléculas a través de enlaces covalentes a los bordes mediante química de carbono o de péptidos. También se emplearán acoplos de van der Waals a través de grupos de anclaje planos y anchos.

El objetivo en esta parte es explorar efectos de carga y de espín en función de parámetros externos como el voltaje de puerta, el voltaje de polarización y la temperatura. Esperamos una reducción de la conductancia térmica de fonones, especialmente en el caso de moléculas fisisorbidas, por lo que evaluaremos el impacto de estos factores en la eficiencia termoeléctrica de los dispositivos. También deseamos investigar uniones formadas por moléculas magnéticas y electrodos superconductores para buscar estados topológicamente no triviales y determinar su influencia en las propiedades termoeléctricas.

En la tercera y última parte se propone seguir desarrollando el código de transporte cuántico Gollum, recientemente distribuido a la comunidad científica. El objetivo es llegar a describir de forma completa todos los factores que afectan a la eficiencia termoeléctrica:

• Implementaremos el cálculo de propiedades de transporte de fonones, que son necesarias para caracterizar plenamente la eficiencia termoeléctrica. Como parte de este desarrollo diseñaremos interfaces a códigos de potenciales empíricos como LAMMPS o DL_POLY, que nos permitirán calcular conductancias de fonones en sistemas de gran tamaño.
• Desarrollaremos nuevas aproximaciones para incluir efectos de no equilibrio introducidos por el potencial de polarización.
• Generalizaremos la actual implementación de los efectos de bloqueo de Coulomb y Kondo a sistemas multiorbitales.
• Finalizaremos la implementación de campos gauge (magnéticos).