Forskare från Tokyo Metropolitan University har visat att en kvantitet som kallas termoelektrisk konduktivitet är ett effektivt mått på dimensionaliteten hos nyutvecklade termoelektriska nanomaterial. Studerar filmer av halvledande enkelväggiga kolnanorör och atomärt tunna ark av molybdensulfid och grafen, de hittade tydliga skillnader i hur detta antal varierar med konduktivitet, i överensstämmelse med teoretiska förutsägelser i 1D- och 2D-material. Ett sådant mått lovar bättre designstrategier för termoelektriska material.

Termoelektriska enheter tar temperaturskillnader mellan olika material och genererar elektrisk energi. Det enklaste exemplet är två remsor av olika metaller svetsade samman i båda ändar för att bilda en ögla; uppvärmning av en av korsningarna samtidigt som den andra hålls kall skapar en elektrisk ström. Detta kallas Seebeck-effekten. Dess potentiella tillämpningar lovar effektiv användning av den enorma mängd ström som slösas bort som avledd värme i vardagen, oavsett om det är i kraftöverföring, industriella avgaser, eller till och med kroppsvärme. 1993, det var teoretiskt att atomärt tunna, endimensionella material skulle ha den idealiska blandningen av egenskaper som krävs för att skapa effektiva termoelektriska enheter. Den resulterande sökningen ledde till att nanomaterial som halvledande enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) användes.

Dock, det fanns ett pågående problem som hindrade nya konstruktioner och system från att karakteriseras korrekt. De viktigaste egenskaperna hos termoelektriska enheter är värmeledningsförmåga, elektrisk konduktivitet, och Seebeck-koefficienten, ett mått på hur mycket spänning som skapas i gränssnittet mellan olika material för en given temperaturskillnad. När materialvetenskapen avancerade in i nanoteknikens tidsålder, dessa siffror var inte tillräckligt för att uttrycka en nyckelegenskap hos de nya nanomaterialen som skapades:materialets "dimensionalitet", eller hur 1D, 2D eller 3D-liknande materialet beter sig. Utan en pålitlig, entydigt mått, det blir svårt att diskutera, än mindre optimera nya material, särskilt hur dimensionaliteten hos deras struktur leder till förbättrad termoelektrisk prestanda.

För att ta itu med detta dilemma, ett team ledd av professor Kazuhiro Yanagi från Tokyo Metropolitan University gav sig i kast med att utforska en ny parameter som nyligen flaggats av teoretiska studier, den "termoelektriska konduktiviteten". Till skillnad från Seebeck-koefficienten, teamets teoretiska beräkningar bekräftade att detta värde varierade olika med ökad konduktivitet för 1D, 2D- och 3D-system. De bekräftade också detta experimentellt, framställning av tunna filmer av enkelväggiga kolnanorör samt atomärt tunna ark av molybdensulfid och grafen, arketypiska material i 1D respektive 2D. Mätningar visade slutgiltigt att den termoelektriska konduktiviteten hos 1D-materialet minskade vid högre konduktivitetsvärden, medan kurvan för 2D-material platåerades. De noterar också att detta visar hur dimensionaliteten hos materialet bibehålls även när materialet prepareras i makroskopiska filmer, ett stort uppsving för ansträngningar att utnyttja den specifika dimensionaliteten hos vissa strukturer för att förbättra termoelektriska prestanda.

I kombination med teoretiska beräkningar, teamet drar slutsatsen att hög termoelektrisk konduktivitet, hög konventionell elektrisk ledningsförmåga, och låg värmeledningsförmåga är nyckelmål för konstruktion av nya enheter. De hoppas att dessa är mätbara, konkreta mål kommer att ge välbehövlig tydlighet och enhet i utvecklingen av toppmoderna termoelektriska enheter.