Independent control of electron and phonon by zero or one dimensional nanostructures for high-performance transparent thermoelectric materials

零维或一维纳米结构对电子和声子的独立控制用于高性能透明热电材料

基本信息

批准号：
17J00328
负责人：
石部貴史
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、酸化亜鉛（ZnO）ナノワイヤをZnO膜中に導入することで、ナノワイヤ界面でのフォノン散乱増大による熱伝導率の低減、及び低次元構造による出力因子の増大を同時実現することにある。昨年度、ナノワイヤを導入した“ZnOナノワイヤ埋め込み構造”とナノワイヤを含まない“ZnO膜”の出力因子を比較した。結果、ナノワイヤを導入することで、ZnO膜と比較してゼーベック係数の大幅な増大を観測し、出力因子を2倍以上増大することに成功した。今年度は、1上記、出力因子増大機構の解明、2ナノワイヤ導入による熱伝導率低減効果の実証を行った。以下、具体的内容を述べる。1出力因子増大機構の解明。　低温下（70-300 K）における移動度、ゼーベック係数の温度依存性の結果、キャリア輸送は界面に律速されており、その界面では、20 meV程度のエネルギー障壁が存在することが明らかになった。TEM-EDX観察の結果、ナノワイヤはコアシェル構造を有し、そのコアとシェルの界面はエピタキシャル界面であることが確認され、そこでは、局所的なZn濃度の減少が観測された。このZnドーパント濃度変調されたコアシェル界面が作るエネルギー障壁により、ゼーベック係数が増大し、出力因子増大が実現されたと考えられる。2 ナノワイヤ導入による熱伝導率低減効果の実証。ナノワイヤ面密度: 1×109 cm-2程度のナノワイヤを導入した“ZnOナノワイヤ埋め込み構造”とナノワイヤを含まない“ZnO膜”の熱伝導率を比較したところ、それぞれ17.5 Wm-1K-1、21.3 Wm-1K-1と測定された。この結果、ナノワイヤを導入することで、約20 %の熱伝導率低減に成功した。これは、ナノワイヤと膜の界面でのフォノン界面散乱が促進されたことによると考えられ、戦略通り、出力因子増大と同時に熱伝導率低減にも成功したと言える。

这项研究的目的是同时意识到由于纳米线界面上的声子散射增加而导致的热导率的降低，以及通过将氧化锌（ZnO）纳米线引入Zno膜，由于低维结构而导致的输出因子的增加。去年，我们比较了引入纳米线的“ ZnO纳米线嵌入结构”的输出因子和不含纳米线的“ ZnO膜”。结果，通过引入纳米线，我们观察到与ZnO膜相比，Seebeck系数显着增加，并成功地将输出因子增加了两倍以上。今年，我们已经解释了上面增加输出因子的机制，并证明了通过引入纳米线降低导热率的效果。具体细节将在下面说明。阐明增加一个输出因子的机制。由于在低温（70-300 K）处的迁移率和塞贝克系数的温度依赖性是在界面处的速率限制的，并且发现该界面存在于20 MeV的能量屏障。由于TEM-EDX的观察结果，已经证实纳米线具有核心壳结构，并且核心和壳之间的界面是外延界面，其中观察到Zn浓度的局部降低。据信，由Zn掺杂浓度调制的核心壳界面产生的能量屏障增加了Seebeck系数和增加的输出因子。 2证明通过引入纳米线降低热导率的效果。纳米线的纳米线密度：在比较“ ZnO纳米线嵌入结构”的导热率与约1×109 cm-2的纳米线和不包含纳米线的“ ZnO膜”的纳米线，结果分别为17.5 wm-1k-1k-1和21.3 wm-1k-1k-1k-1。结果，通过引入纳米线，导热率成功降低了约20％。人们认为这是由于声子界面在纳米线和膜之间的界面上加速散射，并且作为一种策略，可以说输出因子已经增加，并且导热率已成功降低。