Полупроводниковые нанопровода в процессах преобразования энергии

Благодаря отсутствию проводящей матрицы наноразмерные тонкие пленки из аморфного кремния обладают гораздо большей удельной емкостью, чем электроды из наночастиц и большим сроком циклической эксплуатации, чем объемный кремний. Эти пленки обычно накапливают более 3000-4000мАч г-1 благодаря большому отношению поверхности к объему и обладают отличной способностью удерживать емкость несколько сотен циклов. До 200 циклов более тонкие пленки обладают большей удельной емкостью, 3700, 2900 и 2900 мАч г-1 для пленок толщиной 50, 150 и 440 нм, а потери емкости за цикл увеличиваются при увеличении толщины пленки. Эти закономерности верны для пленок толщиной до нескольких микрометров. Был сделан вывод, что улучшенное сохранение заряда более тонкими пленками является следствием меньшего растрескивания и деградации электрических контактов между более тонкими пленками и подложкой. Чем тоньше пленка, тем она лучше справляется с циклами сжатия и расширения при наполнении литием. Хотя эти результаты важны фундаментально, применение тонких пленок в технологиях коммерческих батарей ограничено, поскольку площадь поверхности, доступная для электролита, ограничена площадью подложки. Аноды из нанопроводов, в противоположность наночастицам и тонким пленкам, должны максимизировать поверхность электрода, при этом сохраняя хорошие контакты с токоснимателем (рис.11). И в самом деле, эта стратегия была применена для нанопроводов из кремния и германия, выращенных методом ПЖК. Однако в этом случае емкость была разочаровывающей, 800-1500мАч г-1, а циклические тесты не проводились. Чан с коллегами сообщил, что они могут получить близкую к теоретической удельную емкость (4200мАч г-1) для анодов из кремния, выращенных методом ПЖК, на токоснимателях из нержавеющей стали. Анодная емкость упала сразу после первого цикла, однако после этого оставалась примерно постоянной на уровне 3000мАч г-1 в течение 10 циклов со скоростью перезарядки С/20 (т.е. разрядка 1/20 емкости в течение часа). Другой прибор поддерживал емкость около 3500мАчг-1 в течение 20 циклов С/5. Изображения ТЭМ показали, что исходно монокристаллические нанопровода стали аморфными при введении лития и превратились в аморфный кремний после первого цикла разрядки. Аноды из германиевых нанопроводов, полученные сходным образом, демонстрируют аналогичные результаты даже с более низкой удельной емкостью 1141мАч г-1 в течение 20 циклов С/20. При другом подходе исследовались аноды из кремниевых нанопроводов со структурой кристаллическое ядро - аморфная оболочка, также синтезированные по механизму ПЖК. Из-за разницы в потенциалах восстановления лития в аморфном и кристаллическом кремнии предсказывалось, что кристаллическое ядро будет служить как механическая поддержка и обеспечивать высокую проводимость по всей длине массива нанопроводов. И в самом деле, пики восстановления лития были различимы на изображениях спекроскопии электрохимического потенциала. Хотя циклирование при потенциале ниже потенциала восстановления лития в кристаллическом кремнии позволило достичь довольно большой начальной удельной емкости 2400мАч г-1, её величина упала после тридцати циклов на 20%. Использование ячеек с более низким пределом напряжения позволило снизить потери емкости до 10% за 100 циклов при величине удельной емкости 800-1000мАч г-1, что делает их потенциальными кандидатами для практического применения.

Другие аноды на основе нанопроводов исследовались в различных системах и также демонстрировали улучшенные, по сравнению с наночастицами и объемными образцами, свойства. Мезопористые материалы, в особенности инверсные структуры нанопроводов, построенные из углеродных и поликристаллических кремний-углеродных композитов, подобные системам инкапсулированных наночастиц, демонстрируют более высокие значения удельной емкости и скоростные свойства (емкость при разных скоростях разрядки), чем объемные электроды или пленки. Эти улучшения, по-видимому, являются результатом развитой поверхности электрода, а короткие длины диффузии лития увеличивают скорость, с которой заряд может быть извлечен из электрода. Аноды на основе нанопроводов SnO2 также демонстрируют улучшенную удельную емкость введения лития, по сравнению с анодами на наночастицах, которая сохраняется даже при высоких скоростях разрядки (более 700мАч г-1 при С/8). Близкой емкостью обладают мезопористые наноленты FeC2O4. Титановые нанопровода, полиморфная модификация с более открытой структурой, чем рутил и анатаз, обладают большей литиевой емкостью, чем наночастицы как в жидкостной, так и в полимерной электролитической ячейке. Они также обладают дополнительным преимуществом восстановления лития при гораздо более высоком потенциале, чем металлический литий, что предотвращает рост литиевых дендритов на электроде, которые способны замкнуть ячейку и вызвать перегревание и взрыв, даже при условиях быстрой зарядки. Нанопровода из моно- и поликристаллического Co3O4 также вводились в качестве материала анодов, что приводило к увеличению емкости и скоростных свойств. Аналогичные массивы вертикально упакованных медных нанопроводов, нанесенных електроосаждением использовались для поддержки поликристаллических оболочек из Fe3O4, применение которых дало неожиданно устойчивые значения удельной емкости 800-900мАч г-1 в течение 50 циклов. При этом сохранялось 75% емкости при разрядке на скорости С/32.

Катоды, образованные из материалов на основе нанопроводов также обладают улучшенными характеристиками. Основное отличие от анодных материалов - напряжение, под которым происходит восстановление на них лития. Измеренные значения удельной емкости и скоростные свойства катодов из нанопроводов и нанотрубок LiMn2O4 выше, чем у катодов из наночастиц (около 100мАч г-1при низкой скорости разрядки). Разрядная мощность при разной скорости разрядки увеличивается при уменьшении толщины стенок нанотрубки вследствие уменьшения длины диффузии лития. Более того, было показано, что нанопровода сохраняют хороший электронный контакт с токоснимателем на протяжении многих циклов перезарядки. Следовательно, менее проводящий углерод требовался для сохранения проводимости через электрод, что увеличивает удельную емкость массива нанопроводов до вдвое большего значения, чем у коммерческих электродов на наночастицах. Аналогичные улучшения наблюдались в наностержневых структурах ядро-оболочка-оболочка C@Au@V2O5, полученных темплатным методом. Кристалличность наностержней V2O5 также способствует интеркаляции лития. Было показано, что наностержни, выращенные методом электрохимического осаждения имеют плотность тока в пять раз большую, нежели подложки с меньшей кристалличностью, полученные золь-гель методом. V2O5·nH2O является более активным по отношению к внедрению лития, а массивы нанопроводов со структурой ядро-оболочка Ni@V2O5·nH2Oобладают плотностью тока в 10 раз выше, чем у кристаллических наностержней. Другое исследование напротив показало, что массивы нанотрубок из аморфного V2О5 обладают хорошей емкостью 300мАч г-1, которая уменьшается до 160 мАч г-1 при циклировании. В дополнение к маленьким длинам диффузии и большой поверхности, константа диффузии лития в V2O5 чувствительна к размерности материала. Диффузия лития в наноленты V2O5 протекает в 1000 раз быстрее, чем в объемный образец, а Li3V2O5 преобразуется обратно в кристаллический V2O5 после выделения лития из электрода. Повышенная реакционная способность поверхности наноленты, вероятно, ответственна за облегчение фазовых трансформаций, связанных с выделением и внедрением лития. Предметом особого интереса является механизм хранения энергии этими наноструктурированными материалами. Их плотность энергии сравнима с типичными батареями, тогда как их плотность мощности сравнима с конденсаторами, другими устройствами, где также имеет место интерес к электродам на нанопроводах. Эти наноструктуры сохраняют энергию другим способом, в отличие от традиционных материалов, и представляют собой интересную область для будущих исследований.

Суммируя вышесказанное, материалы на основе нанопроводов демонстрируют существенные улучшения по сравнению с традиционными материалами литиевых батарей: более высокую удельную емкость, скорость перезарядки, лучшие эксплуатационные характеристики (циклирование). Хотя не похоже, что литиевые аккумуляторы будут использоваться во всех областях, особенно в тех, где требуется очень высокая скорость зарядки/разрядки, принципы устройства, разъясненные исследованиями электродов на нанопроводах, могут помочь значительно улучшить электроды в других системах перезаряжаемых батарей. К примеру, до 60% потребления энергии нефти приходится на транспортные перевозки в США и до 20% по всему миру. Литий-ионные батареи в настоящее время используются для питания электрических и гибридных двигателей и могут потенциально вызвать всплеск интереса к альтернативной энергии на этом рынке, учитывая относительную неэффективность двигателей сгорания. Однако из-за существующих ограничений свойств электролитов, сепараторов, накопителей заряда, удельной емкости около 1000мАч·г-1, плотности энергии около 1Ам·см-3, общая производительность батарей вряд ли может сильно увеличиться. Заглядывая вперед, наиболее важные успехи может принести открытие путем изменения морфологии электродов из более дешевых, доступных материалов, обладающих высокой литиевой емкостью и большим временем работы. С этой точки зрения именно применение технологий нанопроводов может помочь в решении этих задач в будущем.

6. Нанопровода в термоэлектрических приложениях

Термоэлектрические материалы преобразуют тепловую энергию в электрическую. При помещении в температурный градиент в этих материалах возникает электрический потенциал, который может быть использован для питания внешней цепи. И напротив, пропускание тока через такой материал приведет к возникновению градиента температур. Соответственно, в зависимости от температурного диапазона максимума этого эффекта, такие материалы могут использоваться для производства энергии или охлаждения. Термоэлектрические модули могут также использоваться как дополнительные генераторы, собирая рассеивающееся тепло от других типов генераторов, например двигателей внутреннего сгорания. Около 90% всей мировой энергии (1013 Вт или 10 ТВт) производится тепловыми двигателями, работающими с 30-40% эффективностью, так что около 15ТВт энергии просто теряется, рассеиваясь в окружающую среду в виде тепла. Термоэлектрические материалы потенциально могут преобразовывать часть этой энергии, что приведет к существенной экономии топлива и уменьшению углеродных выбросов.В температурном градиенте носители заряда в горячей части материала занимают более высокие электронные состояния, чем в холодной части. Эти горячие электроны (или дырки) диффундируют к холодному концу, где плотность доступных состояний выше, до тех пор, пока противодействующее электрическое поле не станет достаточным для прекращения процесса переноса заряда. Эффективность, с которой термоэлектрические материалы преобразуют тепло в электричество, зависит от термоэлектрической добротности (ZT), которая определяется как ZT=S2T/сk, где S, с, k, T- коэффициент Зеебека, электрическое сопротивление, теплопроводность и абсолютная температура соответственно. Идеальные термоэлектрические материалы должны иметь низкие значения kдля сохранения большого температурного градиента и низкие значения с для минимизации джоулева нагревания и максимизации доступных носителей заряда, вносящих вклад в термоэлектрический эффект. Sзависит от электронной зонной структуры материала вблизи уровня Ферми и варьируется при изменении плотности носителей с температурой. Общая эффективность термоэлектрических материалов является функцией эффективности Карно (термодинамический максимум эффективности) и ZTв соответствии с уравнением (формула 1).

В этом уравнении Th и Tc - температуры горячего и холодного концов в градусах Кельвина соответственно, а зС- эффективность Карно (зС=(Th-Tc)/Th для производства энергии или зС=Tc/(Th-Tc) для охлаждения). В этом случае значение ZT берется при средней температуре между двумя концами. Например, для Th=400K, Tc=300K значения ZT=1, 2 и 3 соответствуют эффективности преобразования около 20%, 30% и 35% от эффективности Карно соответственно. Компрессионные двигатели, обычно используемые для охлаждения, обычно функционируют с эффективностью 30% от цикла Карно, так что термоэлектрические модули с ZT>2-3 потенциально могут вытеснить их, поскольку в них отсутствуют сжатые газы и движущиеся части. Такие устройста аналогичным образом могут перерабатывать тепло автомобильных двигателей и питать либо гибридный двигатель, либо перезаряжаемую батарею.

В настоящее время в качестве термоэлектрического материала обычно используется Bi2Te3 и его сплавы, которые обладают величинами ZT около 1 при комнатной температуре. За последние пятьдесят лет были предприняты попытки увеличения значений ZT выше единицы, поскольку этот параметр обычно независим. Для указанного материала с уменьшается с увеличением концентрации носителей заряда, но уменьшается также и S, в то время как k увеличивается. Электронные и решеточные колебания, называемые фононами, могут проводить тепло. В результате величина k может быть разложена на две части, kl и ke, соответствующие решеточному и электронному вкладам в теплопроводность соответственно. При очень больших концентрациях носителей заряда, например в металлах, ke вносит значительный вклад в общую величину k и значительно уменьшает значение S, что уменьшает величину ZT. С другой стороны, диэлектрики обычно имеют низкие значения kи высокие значения S, но в этом случае слишком велики значения с, чтобы материал мог показывать высокие значения ZT. Как правило, максимальные значения ZTпринимает при концентрации носителей 1019-1021см-3, соответствующей сильно легированному полупроводнику и полуметаллу.

Минго и Дрессельхаус предсказали, что пространственно ограниченные материалы могут демонстрировать улучшенные термоэлектрические свойства благодаря изменению структуры электронных зон. Поскольку с зависит от плотности состояний электронов, а Sзависит от производной энергии плотности состояний вблизи энергии Ферми, резкое увеличение плотности состояний при ограничении электронов может значительно улучшить эти параметры. Экспериментальные результаты подтвердили предсказанное улучшение S или коэффициента мощности (S2/ с) при ограничении электронов в наноструктурированных материалах, однако ни один из них не продемонстрировал общего увеличения ZT. Материалы на основе нанопроводов исследовались как перспективные с этой точки зрения некоторое время, но с неоднозначными результатами. При уменьшении диаметра зерен нанопроводов из Biи его сплавов (Se, Te, Sb) поверхностное рассеяние электронов преобладает, и транспортные измерения начинают зависеть от образца. Некоторые группы наблюдали увеличение коэффициента Зеебека в разупорядоченных тонких пленках из сплавов висмута, а также нанопроводов или наностержней PbTe, однако эти пленки не до конца охарактеризованы, и причины улучшения остаются неясными. Термоэлектрические свойства нанопроводов из чистых InSbи CrSi2 также были измерены, и было обнаружено ухудшение из-за тех же поверхностных эффектов. При другом подходе полевое стробирование термоэлектрических нанопроводов для управления плотностью состояний вблизи уровня Ферми эффективно улучшает значения S и ZT, но недостаточно для достижения уровня объемных материалов. Недавние эксперименты с легированным таллием объемным PbTeвпервые показали, что увеличение плотности состояний вблизи уровня Ферми действительно ведет к двукратному увеличению ZT (от 0.7 до 1.5 при 800К), хотя эти результаты не имеют отношения к ограничению электронов. Поэтому наноразмерное модифицирование структуры электронных зон с целью улучшения термоэлектрических свойств в настоящее время все еще является предметом обсуждения.

Наноструктурированные термоэлектрические материалы являются перспективными, поскольку некоторые исследовательские группы достигли значений ZTоколо 1.5-2.5. Однако ограничение электронов и последующее изменение зонной структуры не являются причиной этих улучшений. В этих объемных наноструктурированных материалах с высокими значениями ZTэлектронные свойства, с и S, остаются близкими к объемным гомогенным материалам. С другой стороны, величина k в них значительно ниже. Поскольку все другие параметры материалов остаются такими же, именно уменьшение теплопроводности является причиной улучшения ZT в наноструктурированных объемных материалах. Наноструктуры, введенные либо методами контролируемого роста, например молекулярно-лучевой эпитаксии, либо осаждением во время кристаллизации, очевидно, играют важную роль в уменьшении теплопроводности этих материалов.

Наноструктуры в этих материалах препятствуют потоку тепла увеличением скорости рассеивания фононов. Трактуя транспорт фононов как исключительно диффузионный процесс, уравнение Больцмана задает теплопроводность в виде k=1/3Cvl, которое может быть записано в виде частотной зависимости k=1/3?C(щ)v(щ)l(щ)dщ, где C(щ), v(щ), l(щ) - частотно-зависимые фононная теплоемкость, групповая скорость и средний пробег соответственно. Считая, что введенные наноструктуры не изменяют соотношение дисперсии фононов, C(щ) и v(щ) будут в точности такими же, как и в объемном гомогенном образце. С другой стороны, l(щ) пропорционально времени релаксации, ф, разных механизмов рассеяния фононов в пределах кристаллической решетки. Для разнообразных одновременных процессов рассеяния, вероятности рассеяния, отнесенные к обратнымr , соответствующим разным процессам (r1, r2 и т.д.), аддитивны, так что lph-1(щ)= l1-1(щ) +l2-1(щ)+…Это соотношение означает, что lph для данной фононной моды (то есть частоты) будет ограничена механизмом рассеяния с большей вероятностью, то есть с кратчайшим l.

Имея в виду частотную зависимость различных времен релаксации, фононные моды различных длин волн будут рассеиваться с различной вероятностью. Например, случайные атомные примеси могут эффективно рассеивать коротковолновые фононы благодаря сходным масштабам, тогда как длинноволновые фононы могут пройти беспрепятственно. Поэтому наноструктуры играют важную роль в рассеивании фононов и могут существенно изменять теплопроводные свойства по сравнению с объемным образцом.

Давно известно, что точечные дефекты или примеси сильно влияют на решеточную теплопроводность материалов. При очень низких температурах рассеивание на границах и примесях ограничивает транспорт фононов. Максимум теплопроводности наблюдается при температурах, когда высокоэнергетические моды начинают рассеиваться фонон-фононными взаимодействиями, которые называют процессами переброса. Этот пик обычно находится ниже 50К, а температуры выше называют обычно “высокими температурами”. Процесс переброса имеет квадратичную частотную зависимость, так что при высоких температурах большинство высокочастотных мод рассеиваются, оставляя преимущественно длинноволновые моды для транспорта фононов. Обычно материалы с низкой решеточной теплопроводностью вблизи комнатной температуры - это материалы с низкосимметричными, полиатомными, ионными решетками и большой разницей масс составляющих ее атомов. Обычные примеры: халькогениды свинца, теллурид висмута и его сплавы, перовсикты и шпинельные структуры. Эта несимметричность масс, как и зонная негармоничность, препятствуют распространению некоторых длинноволновых мод, таким образом уменьшая общую теплопроводность вблизи комнатной температуры и выше. Высокосимметричные моноатомные ковалентные решетки легких элементов, такие как кремний и алмаз, проводят тепло очень хорошо. Следовательно, длинноволновые фононы имеют значительно большие средние пробеги в этих материалах. Именно из-за высокой теплопроводности объемный кремний является плохим термоэлектрическим материалом. Кремний недавно стал интересным материалом с точки зрения термоэлектрических исследований из-за больших средних пробегов фононов, управляющих переносом тепла при высоких температурах. Средне- и длинноволновые фононы эффективно рассеиваются на границах и наноразмерных интерфейсах. Гудсон с коллегами протестировали теплопроводность тонких пленок кремния, толщиной от 100нм и обнаружили значительное уменьшение теплопроводности при высоких температурах. В противоположность работе по слоистым наноструктурам, нанесенным методом молекулярно-лучевой эпитаксии, где слои были толщиной порядка нанометров, Гудсон обнаружил, что теплопроводность кремния уменьшается в слоях толщиной менее одного микрометра. Это означает, что некоторые длинноволновые фононы распространяются более чем на один микрометр, прежде чем рассеяться в объемном образце при комнатной температуре. Средняя длина пробега фононов в кремнии при комнатной температуре была оценена значением 300нм, а пленки толщиной менее 100нм имеют теплопроводность вдвое меньше, чем у объемного образца. Напротив, электроны в высоколегированном кремнии, с оптимальной для термоэлектрических приложений электропроводностью, имеют среднюю длину пробега 1-10нм при комнатной температуре. Материалы с характерными размерами в диапазоне десятков или сотен нанометров должны эффективно уменьшать теплопроводность, в то же время сохраняя электронные свойства объемных образцов. Эта стратегия была применена в нанокристаллических сплавах p- и n- типа BiSbTeи p- и n- типа SiGe с улучшенными в 1.5-2 раза значениями ZT по сравнению с объемными материалами. Схожие результаты были получены для InGaAscнамеренным включением наноразмерных частиц в кристаллическую решетку.

Был разработан метод прямого измерения теплопроводности отдельного нанопровода, используя микроскопические приборы. Два теплоизолированных термометра сопротивления соединены отдельным нанопроводом, который с очень высокой точностью является единственным каналом их соединения. При увеличении температуры с одного конца измеряется увеличение температуры второго конца, и разность между ними используется для расчета теплопроводности нанопровода. Ли с коллегами обнаружил, что значения k нанопроводов кремния, синтезированных по механизму ПЖК, зависят от диаметра нанопроводов, аналогично зависимостям от толщины в тонких пленках (рис.12). Эти результаты можно объяснить в предположении диффузионного рассеяния фононов на поверхностях, при котором средние длины пробегов ограничены диаметром нанопровода l(щ)?d. Что интересно, самые тонкие измеренные нанопровода, 22нм, демонстрируют аномальную линейную зависимость k(T), в то время как обычно она меняется как ~Т3 в объемных образцах при низкой температуре. Дальнейшие исследования тонких нанопроводов (<30нм) показали ту же линейную зависимость вплоть до температур около 100К. Теоретическое моделирование объясняет такое поведение с псевдолинейной температурной зависимостью как результат перекрывания баллистического и диффузионного режимов транспорта. Эта теория предполагает, что рассеивание фононов на поверхностях нанопроводов является в действительности частотно-зависимым процессом с условием, что не все l(щ)=d.

Введение наноразмерного рельефа на поверхность кремниевых нанопроводов служит для дальнейшего уменьшения переноса фононов вдоль их длины. Массивы рельефных нанопроводов были синтезированы с использованием техники безэлектронного травления подложки в водном растворе нитрата серебра и плавиковой кислоты. Реакция осуществляется посредством восстановления Ag+ до металлического серебра на поверхности подложки и окисления окружающей кремниевой решетки, которая затем переводится в раствор HF. Металлическое серебро формирует ячеистую сеть, которая протравливает путь вертикально в объем подложки, оставляя высокие столбики кремния. Анализ на ТЭМ полученных таким образом нанопроводов показал, что они монокристалличны и бездефектны (рис.13а).

Измерения теплопроводности этих нанопроводов указывают на зависимость от диаметра теплопроводности, как и в выращенных методом ПЖК нанопроводах, но с коэффициентом в 5-10 раз меньше при соответствующем диаметре (рис. 13b). Разница более значительна для нанопроводов меньшего диаметра. Более того, максимальная теплопроводность наблюдается вблизи комнатной температуры для этих нанопроводов, в сравнении с температурами максимумов 150-200К для ПЖК-нанопроводов и 25К для объемных образцов. Поверхность нанопроводов рассеивает эффективно фононы вплоть до высоких температур. Измерения теплового переноса нанопроводов из халькогенидов свинца также показали, что максимум теплопроводности как функции температуры уменьшается в величине и смещается в сторону более высоких температур, либо даже исчезает с уменьшением диаметра нанопроводов.

Теплопроводность рельефных нанопроводов еще более увеличивается при увеличении шероховатости поверхности. Для оптимизации электронных свойств нанопроводов для термоэлектрических приложений массивы были легированы до уровня 1019см-3 посредством отжига в парах BCl3. Теплопроводность самых тонких нанопроводов, 50-74нм в диаметре, приближается к 1.6Вт·м-1·К-1 при комнатной температуре, т.е. суммарное уменьшение по сравнению с объемным образцом достигло 100 раз. Извлекая электронный вклад, по закону Видемана-Франца, решеточный вклад в теплопроводность был оценен значением 1.2Вт·м-1·К-1, которое удивительно близко к аморфному пределу для кремния и теплопроводности кремния при комнатной температуре.

То, что рельефные нанопровода диаметром 50нм проводят тепло как аморфные диэлектрики, является неожиданным результатом. В приближении диффузионного отражения фононов от поверхности нанопроводов, средняя длина пробега фононов ограничена их диаметром, и модель, основанная на Больцмановской теории транспорта, может объяснить особенности теплопроводности в ПЖК-нанопроводах, но сильно преувеличивает значения величин для рельефных нанопроводов. С другой стороны, решеточная теплопроводность аморфных твердых материалов можно оценить из предположения, что средние длины пробегов ограничены половиной длины волны фонона из-за отсутствия согласованности в разупорядоченной решетке. Канал нанопровода, однако, монокристалличен, и поэтому нет причин считать, что фононные моды будут терять согласованность на дистанции l=л/2, особенно учитывая, что диаметр составляет всего около 10 периодов решетки. Традиционные модели не в состоянии описать характер фононного транспорта, но сравнение между рельефными нанопроводами и ПЖК - нанопроводами указывает на существование ощутимой роли поверхностного рельефа.

Электронные свойства отдельных нанопроводов были измерены с целью расчета значения ZT рельефных нанопроводов. Обычные методы фотолитографии использовались для нанесения металлических электродов на диспергированные нанопровода. Температурно-зависимое сопротивление и коэффициент Зеебека были измерены для каждого нанопровода. Для 50нм нанопроводов при комнатной температуре коэффициент мощности S2/с был близок к соответствующему значению для объемного образца при той же концентрации легирующей примеси. Поскольку теплопроводность была примерно в 100 раз ниже, ZTувеличился также примерно в 100 раз до 0.6. Хотя температурные данные для более тонких нанопроводов не были получены, электронные измерения дают основания полагать, что ZT должен увеличиться в дальнейшем вблизи комнатной температуры и превысить единицу.

Измеренные значения ZT приближаются к параметрам коммерческого Bi2Te3, что подтверждает перспективность кремниевых материалов в качестве термоэлектрических материалов. Кремний также является наиболее привычным полупроводником и имеет дополнительное преимущество в виде развитой промышленной инфраструктуры, позволяющей начать широкомасштабное недорогое производство.

7. Заключение

Полупроводниковые нанопровода, как новый класс наноматериалов, в настоящее время являются объектом интенсивных исследований с сотнями публикаций, ежегодно выпускаемыми по этой тематике. Они являются модельной системой для исследования влияния пространственных ограничений на оптические, электрические, магнитные и механические свойства. Они перспективны как в качестве связующего звена, так и в качестве функционального компонента при производстве наноразмерных оптоэлектронных устройств и приборов для преобразования энергии.

Окружающая среда является потенциально бесконечным источником энергии либо для увеличения эффективности существующих процессов генерации, квазинепрерывного заряда батарей, либо для создания автономных устройств. Могут использоваться различные типы окружающей энергии, включая солнечную, тепловую, колебательную, электромагнитную. Нанопровода с их уникальной способностью соединения микроскопического и макроскопического миров обещают новые стратегии для захвата этих типов энергии. Одним из интересных направлений является их применение для переработки солнечной энергии в топливо. Получение топлива прямой переработкой энергии света в энергию химических связей в отдельном устройстве - привлекательная задача, хотя до сих пор не было продемонстрировано систем, показывающих требуемую эффективность и являющихся достаточно надежными и недорогими. Это одна из основных проблем, стоящих в настоящее время перед физиками и химиками.Прямой процесс преобразования солнечной энергии в топливо приспособлен природой, фотосинтетическими организмами, которые преобразуют двуокись углерода и воду в углеводороды посредством энергии света. Эта природная схема демонстрирует важные особенности дизайна таких систем: пространственная и ориентационная упорядоченность светопоглощающих компонентов, разделение и транспорт заряда, преобразование накопленного потенциала в химические соединения на каталитических участках в разделенном на ячейки пространстве. Для создания эффективных и надежных систем с рациональным дизайном и синтетическими условиями, сборки неорганико-органических гибридных наноструктур на различных масштабах размеров, необходимо учитывать преимущества этих природных структур. Уникальные одномерные структуры наподобие нанопроводов могут стать частью решения этой захватывающей проблемы. А успехи в исследованиях нанопроводов были, есть и будут основаны на контроле условий синтеза, который должны осуществлять ученые.

1. Размещено на www.allbest.ru