Исследовательская группа под руководством профессора Йошиаки Накамуры из Университета Осаки успешно разработала методологию повышения коэффициента термоэлектрической мощности при одновременном снижении теплопроводности. При введении нанопроволок ZnO в пленки ZnO коэффициент термоэлектрической мощности стал в 3 раза больше, чем у пленки ZnO без нанопроволок ZnO.
Для разработки высокоэффективных термоэлектрических материалов часто использовались дорогие и токсичные тяжелые элементы; однако высокая стоимость и токсичность ограничивают социальное использование таких термоэлектрических материалов. В этом исследовании Накамура и его команда разработали новые наноструктурированные пленки (структура нанопроводов Embedded-ZnO), состоящие из недорогого и экологически чистого ZnO. В проявленных пленках коэффициент термоэлектрической мощности увеличивался за счет селективного пропускания энергичных электронов через интерфейсы нанопроволок с преднамеренно контролируемыми энергетическими барьерами, а теплопроводность уменьшалась за счет рассеяния фононов на интерфейсах нанопроволок. Ожидается, что успех этого исследования приведет к реализации высокопроизводительных прозрачных термоэлектрических устройств, которые позволят рекуперировать энергию прозрачных объектов, используемых во всем мире, таких как оконное стекло и прозрачные электронные устройства..
Термоэлектрическая генерация, преобразующая тепло в электричество, привлекла большое внимание как новый источник энергии. Ожидается, что оконное стекло с разной внутренней и наружной температурой станет источником тепла для термоэлектрической генерации, что потребует прозрачных термоэлектрических материалов с высокими термоэлектрическими характеристиками. Термоэлектрические характеристики требуют высокого коэффициента Зеебека, высокой электропроводности и низкой теплопроводности. Однако эти три параметра взаимосвязаны, что затрудняет повышение производительности. До сих пор дорогие и токсичные материалы с тяжелыми элементами с низкой теплопроводностью часто использовались для разработки высокоэффективных термоэлектрических материалов, что ограничивало использование термоэлектрической генерации. С другой стороны, недорогие и экологически чистые материалы на основе легких элементов обладают низкими термоэлектрическими характеристиками из-за их высокой теплопроводности в целом. Однако сообщалось, что наноструктурирование привело к значительному снижению теплопроводности, и материалы на основе легких элементов могут быть кандидатами на роль термоэлектрических материалов. Но есть еще одна проблема, заключающаяся в том, что наноструктура рассеивает не только фононы, но и электроны, что приводит к уменьшению коэффициента термоэдс.
Накамура и его команда впервые в мире успешно разработали недорогие и экологически безопасные пленки ZnO, в том числе нанопроволоку ZnO с управляемой поверхностью (структура нанопроволоки Embedded-ZnO). Предполагается, что пленка со структурой нанопроволоки ZnO с высоким оптическим коэффициентом пропускания в видимом диапазоне станет прозрачным термоэлектрическим материалом. В структуре высота электронного энергетического барьера контролировалась путем модуляции концентрации легирующей примеси на границе раздела нанопроволоки, что позволило увеличить коэффициент Зеебека за счет селективного пропускания высокоэнергетических электронов и рассеяния низкоэнергетических электронов. Ожидается также высокая электропроводность, поскольку кристалл ZnO формируется эпитаксиально на границе раздела нанопроволоки, что приводит к относительно высокой электропроводности высокоэнергетических электронов. Кроме того, теплопроводность также снижается из-за увеличения фононного рассеяния на границе раздела нанопроволоки.
Структуры на основе нанопроволок ZnO с поверхностной плотностью нанопроволок более 4×109 см-2 показали коэффициент термоэлектрической мощности в 3 раза выше, чем у пленки ZnO без нанопроволок. Было подтверждено, что концентрация легирующей примеси модулируется на границах раздела путем наблюдения с помощью просвечивающей электронной микроскопии границ раздела нанопроволоки. Измерения коэффициента Зеебека и электропроводности в диапазоне низких температур (<300 К) показали аномальное поведение, связанное с транспортом электронов, контролируемым высотой энергетического барьера. Кроме того, путем теоретического анализа экспериментальных данных было установлено, что высота энергетического барьера составляет несколько десятков мэВ. Кроме того, теплопроводность структуры нанопроволок Embedded-ZnO была на 20% меньше, чем у пленки ZnO без нанопроволок из-за усиления рассеяния фононов из-за введения интерфейса нанопроволоки. Эти результаты свидетельствуют об одновременных успехах: увеличении коэффициента термоэлектрической мощности и уменьшении теплопроводности. Оптические измерения показали, что структура имеет оптический коэффициент пропускания около 60% в видимом диапазоне, что сравнимо со значением окна здания.
В будущем станет возможным значительно снизить теплопроводность структуры нанопроволок Embedded-ZnO за счет увеличения плотности нанопроволоки. Ожидается, что термоэлектрические устройства, состоящие из пленок с такой структурой, будут реализованы и получат широкое распространение благодаря использованию в них дешевого и экологически чистого ZnO. Кроме того, концепция «модулирования высоты энергетического барьера путем управления концентрацией легирующей примеси» может быть применена не только к ZnO, но и к другим перспективным материалам, что ускорит разработку различных высокоэффективных термоэлектрических материалов.