Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben aangetoond dat een hoeveelheid die bekend staat als thermo-elektrische geleidbaarheid een effectieve maatstaf is voor de dimensionaliteit van nieuw ontwikkelde thermo-elektrische nanomaterialen. Het bestuderen van films van halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuizen en atomair dunne platen van molybdeensulfide en grafeen, ze vonden duidelijke verschillen in hoe dit aantal varieert met geleidbaarheid, in overeenstemming met theoretische voorspellingen in 1D- en 2D-materialen. Zo'n metriek belooft betere ontwerpstrategieën voor thermo-elektrische materialen.

Thermo-elektrische apparaten nemen temperatuurverschillen tussen verschillende materialen op en wekken elektrische energie op. Het eenvoudigste voorbeeld zijn twee stroken van verschillende metalen die aan beide uiteinden aan elkaar zijn gelast om een ​​lus te vormen; door een van de kruispunten te verwarmen en de andere koel te houden, ontstaat er een elektrische stroom. Dit wordt het Seebeck-effect genoemd. De potentiële toepassingen ervan beloven een effectief gebruik van de enorme hoeveelheid stroom die in het dagelijks leven wordt verspild als afgevoerde warmte, of het nu gaat om krachtoverbrenging, industriële uitlaat, of zelfs lichaamswarmte. In 1993, er werd getheoretiseerd dat atomair dun, eendimensionale materialen zouden de ideale mix van eigenschappen hebben die nodig zijn om efficiënte thermo-elektrische apparaten te creëren. De resulterende zoektocht leidde ertoe dat nanomaterialen zoals halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) werden toegepast.

Echter, er was een voortdurend probleem waardoor nieuwe ontwerpen en systemen niet nauwkeurig konden worden gekarakteriseerd. De belangrijkste eigenschappen van thermo-elektrische apparaten zijn thermische geleidbaarheid, elektrische geleiding, en de Seebeck-coëfficiënt, een maat voor hoeveel spanning wordt gecreëerd op het grensvlak tussen verschillende materialen voor een bepaald temperatuurverschil. Naarmate de materiaalwetenschap voortschreed in het tijdperk van nanotechnologie, deze cijfers waren niet genoeg om een ​​belangrijke eigenschap van de nieuwe nanomaterialen die werden gecreëerd uit te drukken:de "dimensionaliteit" van het materiaal, of hoe 1D, 2D of 3D-achtig gedraagt ​​het materiaal zich. Zonder een betrouwbare, ondubbelzinnige metriek, het wordt moeilijk om te discussiëren, laat staan ​​nieuwe materialen optimaliseren, vooral hoe de dimensionaliteit van hun structuur leidt tot verbeterde thermo-elektrische prestaties.

Om dit dilemma aan te pakken, een team onder leiding van professor Kazuhiro Yanagi van de Tokyo Metropolitan University ging op zoek naar een nieuwe parameter die onlangs door theoretische studies werd opgemerkt, de "thermo-elektrische geleidbaarheid." In tegenstelling tot de Seebeck-coëfficiënt, de theoretische berekeningen van het team bevestigden dat deze waarde anders varieerde met verhoogde geleidbaarheid voor 1D, 2D- en 3D-systemen. Ze bevestigden dit ook experimenteel, het bereiden van dunne films van enkelwandige koolstofnanobuizen en atomair dunne platen van molybdeensulfide en grafeen, archetypische materialen in respectievelijk 1D en 2D. Metingen toonden overtuigend aan dat de thermo-elektrische geleidbaarheid van het 1D-materiaal afnam bij hogere geleidbaarheidswaarden, terwijl de curve voor 2D-materialen een plateau bereikte. Ze merken ook op dat dit aantoont hoe de dimensionaliteit van het materiaal behouden blijft, zelfs wanneer het materiaal wordt voorbereid in macroscopische films, een geweldige stimulans voor inspanningen om de specifieke dimensionaliteit van bepaalde structuren te benutten om de thermo-elektrische prestaties te verbeteren.

Gecombineerd met theoretische berekeningen, het team concludeert dat hoge thermo-elektrische geleidbaarheid, hoge conventionele elektrische geleidbaarheid, en lage thermische geleidbaarheid zijn belangrijke doelen voor de engineering van nieuwe apparaten. Ze hopen dat deze meetbaar zijn, tastbare doelen zullen de broodnodige duidelijkheid en eenheid brengen in de ontwikkeling van ultramoderne thermo-elektrische apparaten.