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Towards efficient RuO2 thermoelectric thin films through utilizing a quantum design approach

利用量子设计方法开发高效的 RuO2 热电薄膜

基本信息

批准号：
238119584
负责人：
Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.
金额：
--
依托单位：
Lehrstuhl für Werkstoffchemie (MCh)
依托单位国家：
德国
项目类别：
Research Grants
财政年份：
2013
资助国家：
德国
起止时间：
2012-12-31 至 2015-12-31
项目状态：
已结题

来源：
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/238119584?language=en
关键词：
Towards efficient RuO2 thermoelectric thin

项目摘要

RuO2 (rutile structure) exhibits a potential for thermoelectric applications due to its interesting transport properties. The objective of this work is to correlate composition, structure, and transport properties for RuO2 and RuO2 alloyed with Nb, Pd, and a lanthanide. Using ab initio calculations, we will probe the effect of all lanthanides as possible alloying elements for RuO2, on phase stability, Seebeck coefficient, and electrical conductivity thereof. Based on this quantum design approach, we will identify a suitable lanthanide and test this design proposal experimentally. Our experimental strategy is to investigate a large compositional range by combinatorial sputtering and analysis of chemical composition, structure, morphology, as well as bonding and then synthesize homogeneous thin films for Seebeck coefficient, thermal and electrical conductivity measurements. RuO2 nanorods can be formed by reactive sputtering and here we will explore the role of alloying on nanorod formation and hence transport properties. We will also carry out ab initio molecular dynamics simulations as well as plasma chemistry and energetics investigations of Ru-O2-Ar discharge to explore the underlying atomic-scale mechanisms. Hence, two routes to increase the figure of merit for RuO2 based thin films will be followed: (i) quantum confinement effects by alloying and (ii) enhanced phonon scattering by nanorod formation.

RuO2（金红石结构）由于其有趣的传输特性而展现出热电应用的潜力。这项工作的目的是关联 RuO2 以及与 Nb、Pd 和镧系元素合金化的 RuO2 的成分、结构和输运特性。使用从头计算，我们将探讨所有镧系元素作为 RuO2 的可能合金元素对其相稳定性、塞贝克系数及其电导率的影响。基于这种量子设计方法，我们将确定合适的镧系元素并通过实验测试该设计方案。我们的实验策略是通过组合溅射和化学成分、结构、形态以及键合分析来研究大的成分范围，然后合成用于塞贝克系数、热导率和电导率测量的均匀薄膜。 RuO2 纳米棒可以通过反应溅射形成，在这里我们将探讨合金化对纳米棒形成以及传输特性的作用。我们还将开展从头算分子动力学模拟以及 Ru-O2-Ar 放电的等离子体化学和能量学研究，以探索潜在的原子尺度机制。因此，提高 RuO2 基薄膜的品质因数的两条途径将遵循：（i）通过合金化实现量子限制效应；（ii）通过纳米棒形成增强声子散射。

项目成果

期刊论文数量（5）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Multifold Seebeck increase in RuO2 films by quantum-guided lanthanide dilute alloying

量子引导镧系元素稀合金化使 RuO2 薄膜的塞贝克倍数增加

DOI：
10.1063/1.4864078
发表时间：
2014
期刊：
Applied Physics Letters
影响因子：
4
作者：
D. Music;F.H.-U. Basse;L. Han;Devender;T. Borca-Tasciuc;J.J. Gengler;A.A. Voevodin;G. Ramanath;J.M. Schneider
通讯作者：
J.M. Schneider

Critical evaluation of the colossal Seebeck coefficient of nanostructured rutile MnO2