Campo débil, corriente fuerte: el efecto Nernst en grafeno multicapa

Sobre la mesa hay un trozo de grafito cultivado a partir de gas, como una capa en la pared de un reactor. Normalmente, ese material no sirve para convertir calor en electricidad: en su interior, los electrones y los huecos corren en direcciones opuestas y se anulan mutuamente. Pero si colocamos ese trozo en un campo magnético y lo calentamos por un borde, las cargas comienzan a moverse en una sola dirección, como una multitud que un agente de tránsito dirige hacia una única salida. Este efecto, descubierto hace más de cien años, se llama efecto Nernst. Hasta ahora se consideraba demasiado débil en películas de carbono baratas como para tener uso práctico.

Los investigadores cultivaron una película de grafeno multicapa mediante deposición química de vapor. El espesor de la película variaba entre 20 y 100 nanómetros, y los granos tenían un tamaño de unos 10 micrómetros. La película se calentaba con un láser infrarrojo enfocado de longitud de onda 8,1 micrómetros y potencia de 4 milivatios; el punto tenía un tamaño de unos 20 micrómetros. El campo magnético se generaba con imanes permanentes, y su magnitud se determinaba mediante la curva de calibración de la magnetorresistencia. El voltaje se medía entre la fuente y el drenador, así como entre los contactos Hall, escaneando el láser por toda el área de la muestra.

Cuando se activó un campo de solo 4 militeslas, el voltaje transversal en los bordes se igualó con el longitudinal en el contacto, y el signo se volvió constante. Con el campo máximo de 315 militeslas, la termoEMF transversal alcanzó 270 microvoltios por kelvin. Esto corresponde a un coeficiente de Nernst de 800 microvoltios por kelvin-tesla. Para comparar, en el antimoniuro de indio, un semiconductor de referencia con alta movilidad, el coeficiente de Nernst es de unos 100 microvoltios por kelvin-tesla. La magnetorresistencia de la película a 1 tesla fue del 100%, y el ajuste de la parte cuadrática dio una movilidad de (3–5)×10^4 centímetros cuadrados por voltio-segundo, superior a la del grafito ordinario debido a las capas retorcidas.

Antes se pensaba que el grafeno multicapa cultivado químicamente tenía una movilidad demasiado baja para producir un efecto Nernst apreciable a temperatura ambiente y en campos débiles. Resultó que la movilidad en tales películas alcanza (3–5)×10^4 centímetros cuadrados por voltio-segundo, y la termoEMF transversal llega a 270 microvoltios por kelvin ya a 315 militeslas, varias veces más alta que en los semiconductores de referencia. Esto abre el camino a generadores termoeléctricos baratos basados en grafito, especialmente para aprovechar el calor de baja temperatura.

El campo magnético actuó como un agente de tránsito que obligó a electrones y huecos a moverse en la misma dirección, y la película de carbono barata resultó ser, inesperadamente, un fuerte termoeléctrico. Hoy ya se pueden diseñar dispositivos que recolectan el calor residual y lo convierten en electricidad, utilizando películas de grafito e imanes débiles. Ese mismo trozo de grafito que estaba sobre la mesa ahora promete convertirse en la base de generadores que funcionan con el calor de la palma de la mano o del tubo de escape.