Termoelektriska material har förmågan att generera elektricitet när en temperaturskillnad appliceras på dem. Omvänt kan de också generera en temperaturgradient när ström appliceras på dem. Därför förväntas dessa material finna användning som kraftgeneratorer för elektroniska anordningar och kylare eller värmare för temperaturkontrollanordningar. För att utveckla dessa applikationer krävs ett termoelektriskt material som uppvisar hög termoelektrisk spänning (kallad termokraft S), även vid applicering av låg termisk energi. Konventionella termoelektriska material uppvisar emellertid hög omvandlingseffektivitet vid höga temperaturer, medan det endast finns ett fåtal kandidater som uppvisar hög omvandlingsprestanda vid under rumstemperatur.

Nyligen utvecklade ett team av forskare från Tokyo Tech, ledda av docent Takayoshi Katase, en ny metod för att avsevärt förbättra S vid låga temperaturer. I en ny artikel publicerad i Nano Letters , teamet rapporterade en ovanligt stor förbättring av S som observerats i laminatstrukturer gjorda av en ultratunn film av övergångsmetalloxiden LaNiO₃ mellan två isolerande lager av LaAlO₃ .

"Vi klargjorde att den oväntade ökningen av S inte orsakades av vanliga termoelektriska fenomen utan av "phonon-drag-effekten" som härrör från den starka interaktionen mellan elektroner och fononer. Om fonon-drageffekten är stark kan de flödande fononerna driva elektroner för att producera extra termoelektrisk spänning när en temperaturskillnad appliceras. Detta fenomen observeras inte i LaNiO₃ bulk men uppträder vid minskning av skikttjockleken hos LaNiO₃ film och begränsa den mellan isolerande LaAlO₃ lager", förklarade Dr. Katase.

Genom att minska tjockleken på LaNiO₃ filmer ner till bara 1 nm och lägger filmen mellan LaAlO₃ lager kunde laget förbättra S minst 10 gånger. Denna förbättring var observerbar för ett brett temperaturintervall upp till 220 K. De experimentella analyserna visade att fononmotståndseffekten härrörde från förbättrad elektron-fononinteraktion av massiva elektroner inneslutna i LaNiO₃ skiktet och de flödande fononerna som läcker från den övre och nedre LaAlO₃ lager.

"Fynden från denna studie kan användas för att utforska nya högpresterande termoelektriska material genom att designa laminatstrukturer av olika oxider som kan förbättra energigenerering och bränsleutnyttjande", avslutar Dr. Katase. + Utforska vidare

Brytande avvägningsproblem som begränsar termoelektrisk omvandlingseffektivitet för spillvärme