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Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires

热电效应 材料科学 塞贝克系数 热导率 热电材料 纳米线 热电发电机 薄脆饼 工程物理 余热 光电子学 纳米技术 机械工程 复合材料 热力学 热交换器 物理 工程类
作者
Allon I. Hochbaum,Renkun Chen,Raul Diaz Delgado,Wenjie Liang,Erik C. Garnett,Mark Najarian,Arun Majumdar,Peidong Yang
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:451 (7175): 163-167 被引量:4033
标识
DOI:10.1038/nature06381
摘要

Approximately 90 per cent of the world's power is generated by heat engines that use fossil fuel combustion as a heat source and typically operate at 30-40 per cent efficiency, such that roughly 15 terawatts of heat is lost to the environment. Thermoelectric modules could potentially convert part of this low-grade waste heat to electricity. Their efficiency depends on the thermoelectric figure of merit ZT of their material components, which is a function of the Seebeck coefficient, electrical resistivity, thermal conductivity and absolute temperature. Over the past five decades it has been challenging to increase ZT > 1, since the parameters of ZT are generally interdependent. While nanostructured thermoelectric materials can increase ZT > 1 (refs 2-4), the materials (Bi, Te, Pb, Sb, and Ag) and processes used are not often easy to scale to practically useful dimensions. Here we report the electrochemical synthesis of large-area, wafer-scale arrays of rough Si nanowires that are 20-300 nm in diameter. These nanowires have Seebeck coefficient and electrical resistivity values that are the same as doped bulk Si, but those with diameters of about 50 nm exhibit 100-fold reduction in thermal conductivity, yielding ZT = 0.6 at room temperature. For such nanowires, the lattice contribution to thermal conductivity approaches the amorphous limit for Si, which cannot be explained by current theories. Although bulk Si is a poor thermoelectric material, by greatly reducing thermal conductivity without much affecting the Seebeck coefficient and electrical resistivity, Si nanowire arrays show promise as high-performance, scalable thermoelectric materials.
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