p Um grupo de pesquisa liderado pelo professor Yoshiaki Nakamura, da Universidade de Osaka, desenvolveu com sucesso uma metodologia para aumentar o fator de energia termoelétrica enquanto diminui a condutividade térmica. Ao introduzir nanofios de ZnO em filmes de ZnO, o fator de potência termoelétrica tornou-se três vezes maior do que o do filme de ZnO sem nanofios de ZnO. p Para o desenvolvimento de materiais termoelétricos de alto desempenho, elementos pesados ​​caros e tóxicos têm sido usados ​​frequentemente; Contudo, o alto custo e a toxicidade têm limitado o uso social de tais materiais termelétricos. Nesta pesquisa, Nakamura e sua equipe desenvolveram novos filmes nanoestruturados (estrutura de nanofios Embedded-ZnO) compostos de ZnO de baixo custo e ecologicamente correto. Nos filmes revelados, o fator de potência termoelétrica foi aumentado pela transmissão seletiva de elétrons energéticos através de interfaces de nanofios com barreiras de energia intencionalmente controladas, e a condutividade térmica foi diminuída pelo espalhamento de fônons nas interfaces dos nanofios. Prevê-se que o sucesso desta pesquisa levará à realização de dispositivos termelétricos transparentes de alto desempenho, que permitirá a recuperação de energia de objetos transparentes, como vidros de janelas e dispositivos eletrônicos transparentes.

p A geração termoelétrica convertendo calor em eletricidade tem chamado muita atenção como uma nova fonte de energia. O vidro da janela com diferentes temperaturas internas e externas é antecipado como uma fonte de calor para geração termoelétrica, requerendo materiais termoelétricos transparentes com alto desempenho termoelétrico. O desempenho termoelétrico requer um alto coeficiente de Seebeck, alta condutividade elétrica, e baixa condutividade térmica. Contudo, esses três parâmetros são intercorrelacionados, levando a dificuldade no aprimoramento do desempenho. Até aqui, materiais de elementos pesados ​​caros e tóxicos com baixa condutividade térmica têm sido frequentemente usados ​​para o desenvolvimento de materiais termoelétricos de alto desempenho, limitar o uso de geração termelétrica. Por outro lado, Materiais à base de elementos leves de baixo custo e ecologicamente corretos exibem baixo desempenho termoelétrico devido à sua alta condutividade térmica em geral. Contudo, foi relatado que a nanoestruturação alcançou uma redução significativa da condutividade térmica, e materiais baseados em elementos leves podem ser candidatos a materiais termoelétricos. Mas, ainda há outro problema em que a nanoestrutura espalhou não apenas fônons, mas também elétrons, resultando em uma redução do fator de potência termelétrica.

p Nakamura e sua equipe desenvolveram com sucesso filmes ZnO de baixo custo e ecológicos, incluindo nanofio ZnO de superfície controlada (estrutura de nanofio ZnO incorporado), pela primeira vez no mundo. O filme de estrutura de nanofio ZnO incorporado com alta transmitância óptica na faixa visível é antecipado como um material termoelétrico transparente. Na estrutura, a altura da barreira de energia de elétrons foi controlada pela modulação da concentração de dopante na interface do nanofio, que possibilitou o aumento do coeficiente de Seebeck devido à transmissão seletiva de elétrons de alta energia e espalhamento de elétrons de baixa energia. A alta condutividade elétrica também é esperada porque o cristal de ZnO é epitaxialmente formado na interface do nanofio, levando a uma condutividade elétrica relativamente alta de elétrons de alta energia. Além disso, a condutividade térmica também é diminuída por um aumento no espalhamento de fônons na interface do nanofio (Figura 1).

p Estruturas de nanofios ZnO incorporados com densidade de área de nanofios de mais de 4 × 10 ⁹ cm ^-2 exibiu um fator de potência termoelétrica 3 vezes maior do que o do filme de ZnO sem nanofios (Figura 2). Foi confirmado que a concentração de dopante foi modulada nas interfaces pela observação de microscopia eletrônica de transmissão de interfaces de nanofios. As medições do coeficiente de Seebeck e da condutividade elétrica na faixa de baixa temperatura ( <300 K) mostraram os comportamentos anômalos atribuídos ao transporte de elétrons controlado pela altura da barreira de energia. Além disso, a altura da barreira de energia foi encontrada em várias dezenas de meV através da análise teórica dos dados experimentais. Além disso, A condutividade térmica da estrutura do nanofio ZnO incorporado foi 20% menor do que a do filme de ZnO sem nanofios devido ao aumento do espalhamento de fônons devido à introdução da interface do nanofio. Esses resultados indicam sucessos simultâneos:um aumento do fator de potência termoelétrica e uma diminuição da condutividade térmica. A medição óptica mostrou que a estrutura tinha transmitância óptica de cerca de 60% na faixa visível, que é comparável ao valor de uma janela de um edifício (Figura 3).

p Trabalho futuro

p No futuro, será possível diminuir significativamente a condutividade térmica da estrutura de nanofio de ZnO incorporado, aumentando a densidade de área do nanofio. Espera-se que os dispositivos termoelétricos compostos por filmes com esta estrutura sejam realizados e tenham amplo uso devido ao seu uso de ZnO de baixo custo e ambientalmente correto. Além disso, o conceito de "Modulando a altura da barreira de energia controlando a concentração de dopante" pode ser aplicado não apenas ao ZnO, mas também a outros materiais promissores, que irá acelerar o desenvolvimento de vários materiais termoelétricos de alto desempenho.