Een onderzoeksgroep onder leiding van professor Yoshiaki Nakamura van de Universiteit van Osaka heeft met succes een methode ontwikkeld om de thermo-elektrische vermogensfactor te verbeteren en tegelijkertijd de thermische geleidbaarheid te verlagen. Door ZnO-nanodraden in ZnO-films te introduceren, de thermo-elektrische arbeidsfactor werd drie keer groter dan die van ZnO-film zonder ZnO-nanodraden.

Voor de ontwikkeling van hoogwaardige thermo-elektrische materialen, dure en giftige zware elementen zijn vaak gebruikt; echter, de hoge kosten en toxiciteit hebben het sociale gebruik van dergelijke thermo-elektrische materialen beperkt. In dit onderzoek, Nakamura en zijn team ontwikkelden nieuwe nanogestructureerde films (Embedded-ZnO-nanodraadstructuur) samengesteld uit goedkope en milieuvriendelijke ZnO. In de ontwikkelde films de thermo-elektrische arbeidsfactor werd verhoogd door selectieve transmissie van energetische elektronen via nanodraadinterfaces met opzettelijk gecontroleerde energiebarrières, en de thermische geleidbaarheid werd verminderd door fononen op de nanodraadinterfaces te verstrooien. Verwacht wordt dat het succes van dit onderzoek zal leiden tot de realisatie van hoogwaardige transparante thermo-elektrische apparaten, waarmee energie kan worden teruggewonnen uit transparante objecten zoals vensterglas en transparante elektronische apparaten.

Thermo-elektrische opwekking die warmte omzet in elektriciteit heeft veel aandacht getrokken als nieuwe energiebron. Vensterglas met verschillende binnen- en buitentemperaturen wordt verwacht als warmtebron voor thermo-elektrische opwekking, vereisen transparante thermo-elektrische materialen met hoge thermo-elektrische prestaties. Thermo-elektrische prestaties vereisen een hoge Seebeck-coëfficiënt, hoge elektrische geleidbaarheid, en lage thermische geleidbaarheid. Echter, deze drie parameters zijn onderling gecorreleerd, wat leidt tot problemen bij het verbeteren van de prestaties. Tot dusver, dure en giftige materialen voor zware elementen met een lage thermische geleidbaarheid zijn vaak gebruikt voor de ontwikkeling van hoogwaardige thermo-elektrische materialen, beperking van het gebruik van thermo-elektrische opwekking. Anderzijds, goedkope en milieuvriendelijke materialen op basis van lichte elementen vertonen lage thermo-elektrische prestaties vanwege hun hoge thermische geleidbaarheid in het algemeen. Echter, er werd gemeld dat nanostructurering een significante vermindering van de thermische geleidbaarheid bereikte, en op lichte elementen gebaseerde materialen kunnen kandidaten zijn voor thermo-elektrische materialen. Maar, er is nog een ander probleem in die zin dat de nanostructuur niet alleen fononen maar ook elektronen verstrooide, wat resulteert in een verlaging van de thermo-elektrische arbeidsfactor.

Nakamura en zijn team hebben met succes goedkope en milieuvriendelijke ZnO-films ontwikkeld, inclusief oppervlaktegestuurde ZnO-nanodraad (Embedded-ZnO-nanodraadstructuur), voor het eerst ter wereld. Embedded-ZnO nanodraadstructuurfilm met hoge optische transmissie in zichtbaar bereik wordt verwacht als een transparant thermo-elektrisch materiaal. In de structuur, de hoogte van de elektronenenergiebarrière werd geregeld door de doteringsconcentratie op de nanodraadinterface te moduleren, die de toename van de Seebeck-coëfficiënt mogelijk maakte als gevolg van selectieve transmissie van hoogenergetische elektronen en verstrooiing van laagenergetische elektronen. Er wordt ook een hoge elektrische geleidbaarheid verwacht omdat het ZnO-kristal epitaxiaal wordt gevormd op de nanodraadinterface, wat leidt tot een relatief hoge elektrische geleidbaarheid van hoogenergetische elektronen. Verder, thermische geleidbaarheid wordt ook verminderd door een toename van fononverstrooiing op de nanodraadinterface (Figuur 1).

Embedded-ZnO nanodraadstructuren met nanodraadoppervlaktedichtheid van meer dan 4×10 ⁹ cm ^-2 vertoonde een thermo-elektrische arbeidsfactor die 3 keer groter was dan die van ZnO-film zonder nanodraden (Figuur 2). Er werd bevestigd dat de doteringsconcentratie aan de grensvlakken werd gemoduleerd door transmissie-elektronenmicroscopie-observatie van nanodraadinterfaces. De metingen van Seebeck-coëfficiënt en elektrische geleidbaarheid in lage temperatuurbereik ( <300 K) toonde het afwijkende gedrag dat wordt toegeschreven aan het elektronentransport dat wordt gecontroleerd door de hoogte van de energiebarrière. Verder, de hoogte van de energiebarrière bleek enkele tientallen meV te zijn door theoretische analyse van de experimentele gegevens. In aanvulling, thermische geleidbaarheid van de ingebedde ZnO-nanodraadstructuur was 20% kleiner dan die van ZnO-film zonder nanodraden vanwege de verbetering van de fononverstrooiing als gevolg van de introductie van de nanodraadinterface. Deze resultaten duiden op gelijktijdige successen:een toename van de thermo-elektrische arbeidsfactor en een afname van de thermische geleidbaarheid. De optische meting toonde aan dat de structuur een optische transmissie van ongeveer 60% had in het zichtbare bereik, wat vergelijkbaar is met de waarde van een raam van een gebouw (Figuur 3).

Toekomstwerk

In de toekomst, het zal mogelijk zijn om de thermische geleidbaarheid van ingebedde ZnO-nanodraadstructuur aanzienlijk te verminderen door de oppervlaktedichtheid van nanodraad te vergroten. De thermo-elektrische apparaten die zijn samengesteld uit films met deze structuur zullen naar verwachting worden gerealiseerd en wijdverbreid worden gebruikt vanwege hun gebruik van goedkope en milieuvriendelijke ZnO. Verder, het concept van "Moduleren van de hoogte van de energiebarrière door de doteringsconcentratie te regelen" kan niet alleen worden toegepast op ZnO, maar ook op andere veelbelovende materialen, die de ontwikkeling van verschillende hoogwaardige thermo-elektrische materialen zal versnellen.