透明熱電納米線材料的增強功率因數

由大阪大學中村義明教授領導的一個研究小組成功地開發出了一種提高熱電係數同時降低導熱係數的方法。通過在ZnO薄膜中加入ZnO納米線，熱電功率因數比沒有ZnO納米線的ZnO薄膜大3倍。

在高性能熱電材料的研製中，經常使用昂貴、有毒的重元素;然而，高成本和高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了由低成本、環保的ZnO組成的新型納米結構薄膜(埋入式ZnO納米線結構)。在已開發的薄膜中，通過具有意圖控制的能量屏障的納米線界面選擇性地傳輸高能電子，增加了熱電功率因數，通過在納米線界面上散射聲子降低了熱導率。預計本研究的成功將導致高性能透明熱電器件的實現，使世界各地使用的透明物體，如窗玻璃和透明電子器件的能量回收成為可能。

熱電轉熱發電作為一種新能源已引起人們的廣泛關注。窗戶玻璃具有不同的室內和室外溫度，可作為熱電產生的熱源，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係數高，導電性高，導熱係數低。然而，這三個參數是相互關聯的，導致性能提高的困難。迄今為止，高導熱係數低、價格昂貴、毒性大的重元素材料經常被用於開發高性能的熱電材料，限制了熱電發電的使用。另一方面，低成本、環保的輕質材料由於導熱係數高，一般表現出較低的熱電性能。然而，據報道，納米結構使熱導率顯著降低，輕元素材料可作為熱電材料的候選材料。但是，還有一個問題是，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。

中村和他的團隊在世界上首次成功開發了低成本、環保的ZnO薄膜，包括表面控制的ZnO納米線(嵌入式ZnO納米線結構)。作為一種透明熱電材料，埋入式zno納米線結構膜具有可見光透過率高的特點。在結構上，通過調節納米線界面摻雜濃度來控制電子能壘高度，從而使高能電子的選擇性透射和低能電子的散射增加了塞貝克係數。由於ZnO晶體的外延在納米線界面形成，導致高能電子的導電性相對較高，因此也有望獲得較高的導電性。此外，納米線界面上聲子散射的增加也降低了熱導率。

Embedded-ZnO納米線和納米線結構面密度超過4×109 cm-2展出熱電功率因數3倍氧化鋅薄膜的納米線。通過對納米線界面的透射電鏡觀察，證實了摻雜濃度在界面處發生了調製。在低溫(小於300k)範圍內，塞貝克係數和電導率的測量結果顯示了由能量勢壘高度控制的電子輸運引起的異常行為。通過對實驗數據的理論分析，發現其能壘高度為幾十兆電子伏。此外，由於納米線界面的引入，使得聲子散射增強，嵌入的ZnO納米線結構的導熱係數比沒有納米線的ZnO薄膜小20%。這些結果表明同時取得了成功:熱電功率因數的增加和熱導率的降低。光學測量結果表明，該結構在可見光範圍內的透光率約為60%，與建築物窗戶的透光率相當。

在未來，通過增迦納米線的面積密度，可以大大降低埋入式zno納米線結構的導熱係數。該結構的熱電器件由於採用了低成本、環保的ZnO，有望實現並得到廣泛應用。此外，「通過控制摻雜濃度來調節能量屏障高度」的概念不僅可以應用於氧化鋅，也可以應用於其他有前途的材料，這將加速各種高性能熱電材料的發展。

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