En forskargrupp ledd av professor Yoshiaki Nakamura från Osaka University har framgångsrikt utvecklat en metod för att förbättra termoelektrisk effektfaktor samtidigt som den minskar värmeledningsförmågan. Genom att introducera ZnO nanotrådar i ZnO-filmer, den termoelektriska effektfaktorn blev tre gånger större än den för ZnO-film utan ZnO nanotrådar.

För utveckling av högpresterande termoelektriska material, dyra och giftiga tunga grundämnen har ofta använts; dock, de höga kostnaderna och toxiciteten har begränsat den sociala användningen av sådana termoelektriska material. I denna forskning, Nakamura och hans team utvecklade nya nanostrukturerade filmer (Embedded-ZnO nanotrådstruktur) som består av låg kostnad och miljövänlig ZnO. I de utvecklade filmerna, den termoelektriska effektfaktorn ökades genom selektiv överföring av energiska elektroner genom nanotrådsgränssnitt med avsiktligt kontrollerade energibarriärer, och värmeledningsförmågan minskade genom att sprida fononer vid nanotrådsgränssnitten. Det förväntas att framgången för denna forskning kommer att leda till förverkligandet av högpresterande transparenta termoelektriska enheter, vilket kommer att möjliggöra energiåtervinning från genomskinliga föremål som fönsterglas och genomskinliga elektroniska enheter.

Termoelektrisk produktion som omvandlar värme till el har rönt stor uppmärksamhet som en ny energikälla. Fönsterglas med olika inomhus- och utomhustemperaturer förväntas vara en värmekälla för termoelektrisk generering, kräver transparenta termoelektriska material med hög termoelektrisk prestanda. Termoelektrisk prestanda kräver en hög Seebeck-koefficient, hög elektrisk ledningsförmåga, och låg värmeledningsförmåga. Dock, dessa tre parametrar är interkorrelerade, leder till svårigheter att förbättra prestanda. Än så länge, dyra och giftiga tunga elementmaterial med låg värmeledningsförmåga har ofta använts för utveckling av högpresterande termoelektriska material, begränsa användningen av termoelektrisk produktion. Å andra sidan, låg kostnad och miljövänliga lätta element-baserade material uppvisar låg termoelektrisk prestanda på grund av deras höga värmeledningsförmåga i allmänhet. Dock, det rapporterades att nanostrukturering uppnådde en betydande minskning av värmeledningsförmågan, och lätta elementbaserade material kan vara kandidater för termoelektriska material. Men, det finns ännu ett problem i att nanostrukturen spred inte bara fononer utan även elektroner, vilket resulterar i en minskning av termoelektrisk effektfaktor.

Nakamura och hans team utvecklade framgångsrikt billiga och miljövänliga ZnO-filmer, inklusive ytkontrollerad ZnO nanotråd (Embedded-ZnO nanotrådstruktur), för första gången i världen. Inbäddad ZnO nanotrådstrukturfilm med hög optisk transmittans inom synligt område förväntas vara ett transparent termoelektriskt material. I strukturen, elektronenergibarriärens höjd kontrollerades genom att modulera dopämneskoncentrationen vid nanotrådsgränssnittet, vilket möjliggjorde ökningen av Seebeck-koefficienten på grund av selektiv överföring av högenergielektroner och spridning av lågenergielektroner. Hög elektrisk ledningsförmåga förväntas också eftersom ZnO-kristallen är epitaxiellt bildad vid nanotrådsgränssnittet, leder till relativt hög elektrisk ledningsförmåga hos högenergielektroner. Vidare, värmeledningsförmågan minskar också genom en ökning av fononspridning vid nanotrådsgränssnittet (Figur 1).

Inbäddade ZnO nanotrådsstrukturer med nanotrådsarealdensitet på mer än 4×10 ⁹ centimeter ^-2 uppvisade en termoelektrisk effektfaktor 3 gånger större än den för ZnO-film utan nanotrådar (Figur 2). Det bekräftades att dopämneskoncentrationen modulerades vid gränssnitten genom observation av transmissionselektronmikroskopi av nanotrådsgränssnitt. Mätningarna av Seebeck-koefficient och elektrisk konduktivitet i lågtemperaturområde ( <300 K) visade de anomala beteenden som tillskrivs elektrontransporten kontrollerad av energibarriärens höjd. Vidare, energibarriärens höjd visade sig vara flera tiotals meV genom teoretisk analys av experimentdata. Dessutom, värmeledningsförmågan hos den inbäddade ZnO nanotrådstrukturen var 20 % mindre än den för ZnO-film utan nanotrådar på grund av fononspridningsförbättringen på grund av införandet av nanotrådsgränssnittet. Dessa resultat indikerar samtidiga framgångar:en ökning av termoelektrisk effektfaktor och en minskning av värmeledningsförmågan. Den optiska mätningen visade att strukturen hade en optisk transmittans på cirka 60 % i synligt område, vilket är jämförbart med värdet av ett fönster i en byggnad (Figur 3).

Framtida arbete

I framtiden, det kommer att vara möjligt att avsevärt minska värmeledningsförmågan hos inbäddad ZnO nanotrådstruktur genom att öka nanotrådens yttäthet. De termoelektriska enheterna som består av filmer med denna struktur förväntas realiseras och ses i stor utsträckning på grund av deras användning av billig och miljövänlig ZnO. Vidare, konceptet "modulering av energibarriärhöjden genom att kontrollera dopämneskoncentrationen" kan tillämpas inte bara på ZnO utan även på andra lovande material, vilket kommer att påskynda utvecklingen av olika högpresterande termoelektriska material.