Termoelektryka wspomagana przez nanostruktury

Generatory termoelektryczne bezpośrednio zamieniają ciepło na energię elektryczną. W odróżnieniu od silników cieplnych używane w nich komponenty elektryczne odpowiedzialne za przekształcanie energii nie mają żadnych ruchomych części i nie emitują żadnych gazów cieplarnianych. Ze względu na dość wysoki koszt i niską sprawność konwertery termoelektryczne są jednak obecnie ograniczone do zastosowań niszowych. Dzięki niskiemu przewodnictwu cieplnemu i dużej ruchliwości ładunków elektrycznych nanodruty półprzewodnikowe, a szczególnie tworzone z nich heterostruktury, są bardzo obiecującymi materiałami z punktu widzenia konwersji energii. Znaczące ulepszenie właściwości termoelektrycznych mogłoby otworzyć drogę do nowych zastosowań.

W ramach finansowanego ze środków UE projektu "Nanowire structures for energy conversion" (WISE) naukowcy opracowali nowatorskie nanostruktury półprzewodnikowe o ulepszonym rozpraszaniu fononów. Różnymi technikami badano sprawność termoelektryczną homogenicznych nanodrutów z półprzewodników III-V i wykonanych z nich heterostruktur hodowanych bezpośrednio na podłożu krzemowym.

Ważnym osiągnięciem było stworzenie nowej techniki selektywnego wzrostu nanodrutów w szablonach z nanorurek bez użycia analizatorów. Szablon był selektywnie wypełniany nanodrutami homo- i heteroepitaksjalnymi o morfologii zdefiniowanej wyłącznie przez jego geometrię. Nie zaobserwowano żadnego mieszania się powierzchni styku (również niejednorodnych) ani niezamierzonego powstawania struktur rdzeń-powłoka, w odróżnieniu od wzrostu nanodrutów katalizowanego metalem lub samoczynnie.

Naukowcom udało się w pełni scharakteryzować właściwości transportu elektrycznego i termicznego nanodrutów z arsenku indu (InAs). Stwierdzono, że przewodnictwo cieplne jest 20–30 razy mniejsze niż dla większych fragmentów InAs.

Projekt WISE pomyślnie wykazał, że struktury jednowymiarowe w postaci nanodrutów mogą być wydajnymi materiałami termoelektrycznymi. Opracowano też techniki, które mogą wyznaczyć ogólną ścieżkę integracji monolitycznej dla układów elektronicznych i optoelektronicznych wykorzystujących półprzewodniki III-V na krzemie.