透明热电纳米线材料的增强功率因数

透明热电纳米线材料的增强功率因数

由大阪大学中村义明教授领导的一个研究小组成功地开发出了一种提高热电系数同时降低导热系数的方法。通过在ZnO薄膜中加入ZnO纳米线，热电功率因数比没有ZnO纳米线的ZnO薄膜大3倍。

在高性能热电材料的研制中，经常使用昂贵、有毒的重元素;然而，高成本和高毒性限制了这种热电材料的社会应用。在这项研究中，中村和他的团队开发了由低成本、环保的ZnO组成的新型纳米结构薄膜(埋入式ZnO纳米线结构)。在已开发的薄膜中，通过具有意图控制的能量屏障的纳米线界面选择性地传输高能电子，增加了热电功率因数，通过在纳米线界面上散射声子降低了热导率。预计本研究的成功将导致高性能透明热电器件的实现，使世界各地使用的透明物体，如窗玻璃和透明电子器件的能量回收成为可能。

热电转热发电作为一种新能源已引起人们的广泛关注。窗户玻璃具有不同的室内和室外温度，可作为热电产生的热源，需要具有高热电性能的透明热电材料。热电性能要求塞贝克系数高，导电性高，导热系数低。然而，这三个参数是相互关联的，导致性能提高的困难。迄今为止，高导热系数低、价格昂贵、毒性大的重元素材料经常被用于开发高性能的热电材料，限制了热电发电的使用。另一方面，低成本、环保的轻质材料由于导热系数高，一般表现出较低的热电性能。然而，据报道，纳米结构使热导率显著降低，轻元素材料可作为热电材料的候选材料。但是，还有一个问题是，纳米结构不仅散射声子，还散射电子，导致热电功率因数降低。

中村和他的团队在世界上首次成功开发了低成本、环保的ZnO薄膜，包括表面控制的ZnO纳米线(嵌入式ZnO纳米线结构)。作为一种透明热电材料，埋入式zno纳米线结构膜具有可见光透过率高的特点。在结构上，通过调节纳米线界面掺杂浓度来控制电子能垒高度，从而使高能电子的选择性透射和低能电子的散射增加了塞贝克系数。由于ZnO晶体的外延在纳米线界面形成，导致高能电子的导电性相对较高，因此也有望获得较高的导电性。此外，纳米线界面上声子散射的增加也降低了热导率。

Embedded-ZnO纳米线和纳米线结构面密度超过4×109 cm-2展出热电功率因数3倍氧化锌薄膜的纳米线。通过对纳米线界面的透射电镜观察，证实了掺杂浓度在界面处发生了调制。在低温(小于300k)范围内，塞贝克系数和电导率的测量结果显示了由能量势垒高度控制的电子输运引起的异常行为。通过对实验数据的理论分析，发现其能垒高度为几十兆电子伏。此外，由于纳米线界面的引入，使得声子散射增强，嵌入的ZnO纳米线结构的导热系数比没有纳米线的ZnO薄膜小20%。这些结果表明同时取得了成功:热电功率因数的增加和热导率的降低。光学测量结果表明，该结构在可见光范围内的透光率约为60%，与建筑物窗户的透光率相当。

在未来，通过增加纳米线的面积密度，可以大大降低埋入式zno纳米线结构的导热系数。该结构的热电器件由于采用了低成本、环保的ZnO，有望实现并得到广泛应用。此外，“通过控制掺杂浓度来调节能量屏障高度”的概念不仅可以应用于氧化锌，也可以应用于其他有前途的材料，这将加速各种高性能热电材料的发展。