Meer dan 60 procent van de energie die wordt geproduceerd door fossiele brandstoffen gaat verloren als warmte. Thermo-elektrische energieconversie heeft veel aandacht getrokken als een manier om restwarmte van elektriciteitscentrales om te zetten, fabrieken en auto's om te zetten in elektriciteit. Echter, de momenteel beschikbare technologieën moeten worden verbeterd om levensvatbaar te worden op industriële schaal.

Onderzoekers van de Hokkaido University in Japan hebben het gebruik voorgesteld van elektronen met een hoge mobiliteit die worden gegenereerd op een halfgeleiderinterface genaamd 2-D-elektronengas (2DEG), die het vermogen van thermo-elektrische materialen om warmte-energie om te zetten in elektriciteit kan verbeteren.

De onderzoekers maakten een transistor op de 2DEG op het grensvlak tussen twee halfgeleidende materialen, aluminium galliumnitride en galliumnitride. Wanneer een elektrisch veld werd aangelegd, concentraties van 2DEG kunnen worden gemoduleerd zonder de hoge mobiliteit ervan te verminderen. De "powerfactor" van de 2DEG, " wat een maat is voor zijn elektrisch vermogen, is twee tot zes keer hoger dan de meeste ultramoderne thermo-elektrische materialen.

Efficiënte omzetting van thermo-elektrische energie vereist materialen met een hoge elektrische geleidbaarheid, lage thermische geleidbaarheid, en een grote thermokracht die een hoogspanning is die wordt geproduceerd als reactie op het temperatuurverschil over het materiaal.

De huidige nanostructureringstechnieken zijn erin geslaagd om de thermische geleidbaarheid van deze materialen aanzienlijk te verminderen, waardoor hun prestaties verbeteren. Een hoge arbeidsfactor is ook nodig voor een efficiënte stroomopwekking, maar het verbeteren ervan is beperkt geweest omdat het gelijktijdige verhoging van de thermokracht en de elektrische geleidbaarheid van een materiaal vereist, wat moeilijk is. De elektrische geleidbaarheid is laag gebleven vanwege geïoniseerde onzuiverheden in het materiaal die de mobiliteit van elektronen onderdrukken.

Door een elektrisch veld aan te brengen op de transistor die is gefabriceerd door de onderzoekers van de Hokkaido University, kunnen zowel de thermokracht als de elektrische geleidbaarheid van het materiaal worden gemoduleerd zonder de hoge mobiliteit ervan te onderdrukken.

"Hoewel het apparaat niet kan worden gebruikt als thermo-elektrische generator omdat het te dun is, de 2-D-elektronengasbenadering zou wegen moeten openen om de prestaties van ultramoderne thermo-elektrische materialen verder te verbeteren, " zegt Hiromichi Ohta, de hoofdauteur van de studie gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .