في مجال التصنيع الأخضر، تُعدّ التقنية الحرارية الكهربائية (thermoelectric) واعدة للغاية لأنها تحول الحرارة مباشرة إلى كهرباء، مما يتيح جمع الطاقة الحرارية منخفضة الجودة والتبريد الصلب. وتُشكّل هذه التقنية دفعة قوية لتحوّل المنتجات الإلكترونية نحو الاستدامة. لكن تصنيع المواد الحرارية الكهربائية لا يزال يواجه تحديات كبيرة.
حالياً، تُصنع المواد متعددة البلورات من نوع Bi₂Te₃ الحجمية بتقنيات مركبة تشمل الصهر، الطحن الكروي، الكبس الحراري، وتلبيد بلازما الشرارة الكهربائية، مع إدخال عيوب هيكلية متنوعة لتحسين الأداء. أما الأغشية الرقيقة فتقيَّد بسمكها الفيزيائي وتوافقها مع الركيزة، وتعتمد معظم طرق تحسين أدائها على المعالجة الحرارية بعد الترسيب.
رغم الجهود الكبيرة في السنوات الأخيرة في مجالات الترسيب الفيزيائي للغاز المحتوي على الدوبانت، وضبط التوجيه البلوري، وتقنيات الطباعة الشبكية باستخدام مواد لاصقة نانوية، إلا أن رفع معامل القدرة (power factor) للأغشية الرقيقة من النوع n-Bi₂Te₃ في درجة حرارة الغرفة فوق 20 μW cm⁻¹ K⁻² ظل تحدياً صعباً للغاية. كما أن الأغشية عالية الأداء المستخرجة من البلورات الأحادية بطريقة التقشير تفتقر إلى القابلية للتوسع (مساحة أقل من 5 سم²)، مما يحد من تطبيقها العملي. وتواجه الطرق التقليدية صعوبات في الضبط الدقيق لمعامل سيبيك (Seebeck coefficient) والتوصيلية الكهربائية ومعاملات أخرى، بالإضافة إلى مشكلة قابلية التوسع في الأغشية من نوع n-Bi₂Te₃.
لكن دراسة جديدة نُشرت في مجلة Science Advances حققت اختراقاً مهماً. اقترح فريق البحث طريقة فريدة تجمع بين تقنيتين شائعتين في صناعة أشباه الموصلات: الرش المغناطيسي (Magnetron Sputtering - MS) والتبخير الحراري في الفراغ (Vacuum Thermal Evaporation - VTE)، لترسيب سلسلة من الأغشية VTE@t%MS-Bi₂Te₂.₈₅Se₀.₁₅ (حيث t% = سمك طبقة MS / [VTE + MS] × 100%، والسمك الكلي ثابت عند 1 ميكرومتر)، مع ضبط دقيق لنسبة طبقة MS.
من خلال دمج الطبقات المتجانسة، تمكّن الفريق من تعديل تركيز حاملات الشحنة والحركية بدرجات متفاوتة من السمك (t%)، تماماً كما يحدث في الدوبنج الكيميائي. هذه الطريقة سمحت بتنظيم متزامن لمعامل سيبيك، والتوصيلية الكهربائية، والتوصيلية الحرارية، والمرونة الميكانيكية للغشاء. ونتيجة لذلك، حُقق في أغشية مرنة بمساحة تصل إلى 120 سم² معامل قدرة فائق يبلغ 30.0 μW cm⁻¹ K⁻² في درجة حرارة الغرفة، مع تحسين مقاومة الانحناء بفضل إدخال عيوب هيكلية دقيقة. عند دمج هذه الأغشية المتطورة في أجهزة مسطحة، أظهرت أداءً تنافسياً عالياً في توليد الطاقة والتبريد.
