De verbetering van thermo-elektrische materialen die verloren warmte direct kunnen omzetten in elektrische energie, kan leiden tot een van de oplossingen voor energieproblemen. Voor hoge prestaties in thermo-elektrische materialen, het is nodig om elektriciteit gemakkelijk te geleiden en het moeilijk te maken voor warmte om er doorheen te gaan. Namelijk, hoge elektrische geleidbaarheid en lage thermische geleidbaarheid nodig zijn. Echter, het is lange tijd erg moeilijk geweest omdat beide geleidbaarheden gecorreleerd zijn. Nutsvoorzieningen, nanostructurering werd verwacht voor de onafhankelijke controle van beide geleidingen, maar de methodologie ervan door nanostructurering was nog steeds onduidelijk.

Yoshiaki Nakamura, Professor van de Universiteit van Osaka stelde een unieke nanostructuur voor (Fig. 1) en stelde een methodologie op voor de ontwikkeling van een materiaal waarin warmte- en elektriciteitsgeleiding gelijktijdig kunnen worden gecontroleerd.

Zijn onderzoeksgroep creëerde een nanostructuur waarin ultrakleine germanium (Ge) nanodots werden gevormd met identieke kristaloriëntaties in silicium (Si). In deze structuur, elektrische stroom vloeit in Si en thermische geleiding werd voorkomen door Ge nanodots, daarom, hoge elektrische geleidbaarheid en lage warmtegeleiding werden gelijktijdig gerealiseerd. Door de vorm en afmeting van Ge nanodots controlefactoren te maken, het is mogelijk geworden om de thermische geleidbaarheid naar believen te regelen. Met behulp van deze techniek, deze groep slaagde erin om de thermische weerstand van het Si/Ge-grensvlak met 2 tot 3 keer te verhogen ten opzichte van conventionele cijfers, het verkrijgen van de grootste Si/Ge-grensvlak thermische weerstand ter wereld.

De resultaten van dit onderzoek laten zien dat door epitaxiaal gegroeide ultrakleine Ge nanodots te introduceren in materialen met een hoge elektrische geleidbaarheid, de geleiding van warmte en elektriciteit kan gelijktijdig met succes worden geregeld. In aanvulling, omdat deze resultaten niet beperkt zijn tot Si, men kan verwachten dat dit onderzoek zal worden gebruikt bij de ontwikkeling van thermo-elektrische materialen die ook andere materialen gebruiken, waar veel vraag naar is voor het gebruik van restwarmte in fabrieken en auto's.

In onze huidige informatiemaatschappij de afvalwarmte die wordt afgegeven door de LSI (Large scale Integrated Circuits) in onze pc's en servers is in de loop der jaren enorm toegenomen, en de ontwikkeling van op Si gebaseerde thermo-elektrische materialen die compatibel zijn met LSI is noodzakelijk geworden om deze afvalwarmte te gebruiken als thermo-elektrische energie. Dit onderzoek heeft een mogelijke verbetering van de efficiëntie van deze omzetting van restwarmte naar elektriciteit aangetoond door het introduceren van nanostructuren in Si, een potentiële doorbraak in de realisatie van op Si gebaseerde thermo-elektrische materialen voor gebruik in LSI-afvalwarmteconversie.