(a) I konventionella halvledare, elektroner flyter från den varma till den kalla sidan med låg rörlighet orsakad av joniserad orenhet. (b) I den nyutvecklade halvledaren utan orenhet, 2DEG kan flöda med hög rörlighet. Upphovsman:Ohta H. et al., Avancerad vetenskap, 20 november, 2017
Mer än 60 procent av energin som produceras av fossila bränslen går förlorad som värme. Termoelektrisk energiomvandling har väckt stor uppmärksamhet som ett sätt att omvandla spillvärme från kraftverk, fabriker och bilar till el. Dock, för närvarande tillgänglig teknik behöver förbättras för att bli livskraftig i industriell skala.
Forskare vid Hokkaido University i Japan har föreslagit användning av elektroner med hög mobilitet som genereras vid ett halvledargränssnitt som kallas 2-D electron gas (2DEG), vilket kan förbättra termoelektriska materials förmåga att omvandla värmeenergi till elektricitet.
Forskarna gjorde en transistor på 2DEG vid gränssnittet mellan två halvledande material, aluminiumgalliumnitrid och galliumnitrid. När ett elektriskt fält applicerades, koncentrationer av 2DEG kan moduleras utan att minska dess höga rörlighet. 2DEG:s "effektfaktor, "som är ett mått på dess elektriska kraft, är två till sex gånger högre än de flesta toppmoderna termoelektriska material.
Effektiv termoelektrisk energiomvandling kräver material med hög elektrisk konduktivitet, låg värmeledningsförmåga, och en stor värmekraft som är högspänning producerad som svar på temperaturskillnaden över materialet.
(Överst) Schematisk illustration av transistorn, som kan styra densiteten av 2DEG vid gränssnittet mellan AlGaN och GaN. (Nederst) Fotografi av transistorn under mätning. Upphovsman:Ohta H. et al., Avancerad vetenskap, 20 november, 2017
Nuvarande nanostruktureringsmetoder har lyckats avsevärt minska värmeledningsförmågan hos dessa material, vilket förbättrar deras prestanda. En hög effektfaktor är också nödvändig för effektiv kraftproduktion, men förbättringen av den har varit begränsad eftersom den kräver att man samtidigt ökar materialets värmeeffekt och dess elektriska konduktivitet, vilket är svårt. Elektrisk konduktivitet har förblivit låg på grund av joniserade föroreningar i materialet som undertrycker elektronernas rörlighet.
Genom att applicera ett elektriskt fält på transistorn som tillverkats av Hokkaido -universitetets forskare kan man modulera både materialets värmekraft och dess elektriska konduktivitet utan att undertrycka dess höga rörlighet.
"Även om enheten inte kan användas som en termoelektrisk generator eftersom den är för tunn, 2-D-elektrongasmetoden bör öppna vägar för att ytterligare förbättra prestandan för toppmoderna termoelektriska material, "säger Hiromichi Ohta, huvudförfattaren till studien publicerad i tidskriften Avancerad vetenskap .
