大阪大學(xué)中村義明教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊成功開發(fā)了一種在降低熱導(dǎo)率的同時提高熱電功率因數(shù)的方法。通過在氧化鋅薄膜中引入氧化鋅納米線，熱電功率因數(shù)比沒有氧化鋅納米線的氧化鋅薄膜大三倍。
為了開發(fā)高性能熱電材料，經(jīng)常使用昂貴且有毒的重元素。然而，高成本和毒性限制了這種熱電材料的社會應(yīng)用。在這項研究中，中村和他的團隊開發(fā)了一種由氧化鋅組成的新型納米結(jié)構(gòu)薄膜(嵌入式氧化鋅納米線結(jié)構(gòu))，成本低，環(huán)保。在顯影的薄膜中，熱電功率因數(shù)通過選擇性地傳輸高能電子通過具有有意控制的能壘的納米線界面而增加，并且熱導(dǎo)率通過納米線界面處的聲子散射而降低。
熱電發(fā)電將熱能轉(zhuǎn)化為電能，作為一種新能源備受關(guān)注。室內(nèi)外溫度不同的玻璃窗有望作為熱電發(fā)電的熱源，需要具有高熱電性能的透明熱電材料。熱電性能要求塞貝克系數(shù)高、電導(dǎo)率高、熱導(dǎo)率低。但是，這三個參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，因此很難提高性能。到目前為止，通常采用價格昂貴且有毒的低熱導(dǎo)率重元素材料來開發(fā)高性能熱電材料，限制了熱電發(fā)電的使用。另一方面，低成本和環(huán)保的輕元素基材料由于其通常高的熱導(dǎo)率而表現(xiàn)出低熱電性能。然而，據(jù)報道，納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了熱導(dǎo)率的顯著降低，并且基于發(fā)光元件的材料可以是熱電材料的候選材料。然而，還有另一個問題，即納米結(jié)構(gòu)不僅散射聲子，還散射電子，導(dǎo)致熱電功率因數(shù)降低。
中村和他的團隊成功開發(fā)了低成本、環(huán)境友好的ZnO薄膜，包括表面可控的ZnO納米線(嵌入式ZnO納米線結(jié)構(gòu))，這在國際上尚屬首次。嵌入氧化鋅納米線結(jié)構(gòu)薄膜在可見光范圍內(nèi)具有高透光率，有望用作透明熱電材料。在這種結(jié)構(gòu)中，通過調(diào)制納米線界面處的摻雜劑濃度來控制電子勢壘高度，這由于高能電子的選擇性傳輸和低能電子的散射而增加了塞貝克系數(shù)。高導(dǎo)電性也是預(yù)期的，因為氧化鋅晶體外延形成在納米線界面，導(dǎo)致高能電子的相對高的導(dǎo)電性。此外，
納米線面密度大于4109cm-2的嵌入式ZnO納米線結(jié)構(gòu)顯示出比沒有納米線的ZnO薄膜大三倍的熱電功率因數(shù)。納米線界面的透射電子顯微鏡觀察證實在界面處摻雜劑濃度被調(diào)節(jié)。低溫范圍(300 K)的塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的測量結(jié)果表明，由能壘高度控制的電子傳輸導(dǎo)致異常行為。此外，通過對實驗數(shù)據(jù)的理論分析，發(fā)現(xiàn)能壘高度為幾十兆電子伏。此外，由于納米線界面的引入，聲子散射增強，嵌入氧化鋅納米線結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率比沒有納米線的氧化鋅薄膜低20%。這些結(jié)果表明熱電功率因數(shù)的提高和熱導(dǎo)率的降低都是成功的。光學(xué)測量表明，該結(jié)構(gòu)在可見光范圍內(nèi)的透光率約為60%，相當于建筑物窗戶的數(shù)值。未來，通過提高納米線的面密度，可以大大降低嵌入式氧化鋅納米線結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率。由這種結(jié)構(gòu)的薄膜組成的熱電器件有望實現(xiàn)，并且由于它們使用低成本和環(huán)境友好的氧化鋅而被廣泛使用。此外，“通過控制摻雜劑濃度來調(diào)節(jié)能壘高度”的概念不僅可以應(yīng)用于ZnO，還可以應(yīng)用于其他有前景的材料，這將加速各種高性能熱電材料的發(fā)展。
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