Forøgelse af termokraft af oxider via kunstigt lamineret metal/isolator-heterostruktur

Termoelektriske materialer har evnen til at generere elektricitet, når en temperaturforskel påføres dem. Omvendt kan de også generere en temperaturgradient, når der tilføres strøm til dem. Derfor forventes disse materialer at finde anvendelse som strømgeneratorer til elektroniske enheder og kølere eller varmeapparater til temperaturkontrolenheder. For at udvikle disse applikationer kræves et termoelektrisk materiale, der viser høj termoelektrisk spænding (kaldet termokraft S), selv ved anvendelse af lav termisk energi. Konventionelle termoelektriske materialer udviser imidlertid høj konverteringseffektivitet ved høje temperaturer, hvorimod der kun er nogle få kandidater, der udviser høj konverteringsydelse ved under stuetemperatur.

For nylig udviklede et team af forskere fra Tokyo Tech, ledet af lektor Takayoshi Katase, en ny metode til markant at forbedre S ved lave temperaturer. I et nyligt papir offentliggjort i Nano Letters , holdet rapporterede en usædvanlig stor forbedring af S observeret i laminatstrukturer lavet af en ultratynd film af overgangsmetaloxidet LaNiO₃ klemt mellem to isolerende lag af LaAlO₃ .

"Vi præciserede, at den uventede stigning i S ikke var forårsaget af det sædvanlige termoelektriske fænomen, men af ​​"phonon-drag-effekten", der opstår fra den stærke interaktion mellem elektroner og fononer. Hvis fonon-drag-effekten er stærk, kan de flydende fononer drive elektroner til at producere ekstra termoelektrisk spænding, når en temperaturforskel påføres. Dette fænomen observeres ikke i LaNiO₃ bulk, men vises ved reduktion af lagtykkelsen af ​​LaNiO₃ film og begrænser den mellem isolerende LaAlO₃ lag," forklarede Dr. Katase.

Ved at reducere tykkelsen af ​​LaNiO₃ film ned til kun 1 nm og klemmer filmen mellem LaAlO₃ lag, var holdet i stand til at forbedre S mindst 10 gange. Denne forbedring var observerbar for et bredt område af temperaturer op til 220 K. De eksperimentelle analyser afslørede, at fononmodstandseffekten stammede fra forbedret elektron-fonon-interaktion af massive elektroner indespærret i LaNiO₃ lag og de flydende fononer, der lækker fra den øvre og nedre LaAlO₃ lag.

"Resultaterne fra denne undersøgelse kan bruges til at udforske nye højtydende termoelektriske materialer ved at designe laminatstrukturer af forskellige oxider, der kan forbedre energiproduktion og brændstofudnyttelse," konkluderer Dr. Katase. + Udforsk yderligere

Brydende afvejningsproblem, der begrænser termoelektrisk konverteringseffektivitet af spildvarme