大阪大學中村義明教授領導的研究團隊成功開發(fā)了一種在降低熱導率的同時提高熱電功率因數的方法。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構薄膜(嵌入式氧化鋅納米線結構)，成本低，環(huán)保。在顯影的薄膜中，熱電功率因數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)電將熱能轉化為電能，作為一種新能源備受關注。室內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高、電導率高、熱導率低。但是，這三個參數是相互關聯的，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率而表現出低熱電性能。然而，據報道，納米結構實現了熱導率的顯著降低，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，即納米結構不僅散射聲子，還散射電子，導致熱電功率因數降低。
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納米線結構)，這在國際上尚屬首次。嵌入氧化鋅納米線結構薄膜在可見光范圍內具有高透光率，有望用作透明熱電材料。在這種結構中，通過調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。高導電性也是預期的，因為氧化鋅晶體外延形成在納米線界面，導致高能電子的相對高的導電性。此外，
納米線面密度大于4109cm-2的嵌入式ZnO納米線結構顯示出比沒有納米線的ZnO薄膜大三倍的熱電功率因數。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節(jié)。低溫范圍(300 K)的塞貝克系數和電導率的測量結果表明，由能壘高度控制的電子傳輸導致異常行為。此外，通過對實驗數據的理論分析，發(fā)現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構的熱導率比沒有納米線的氧化鋅薄膜低20%。這些結果表明熱電功率因數的提高和熱導率的降低都是成功的。光學測量表明，該結構在可見光范圍內的透光率約為60%，相當于建筑物窗戶的數值。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構的熱導率。由這種結構的薄膜組成的熱電器件有望實現，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節(jié)能壘高度”的概念不僅可以應用于ZnO，還可以應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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