Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit

功勋 热电材料 热电效应 材料科学 光电子学 超晶格 热电发电机 塞贝克系数 纳米技术 热导率 工程物理 凝聚态物理 热电冷却 复合材料 热力学 物理
作者
R. Venkatasubramanian,E. Siivola,T.S. Colpitts,Brooks O’Quinn
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:413 (6856): 597-602 被引量:5018
标识
DOI:10.1038/35098012
摘要

Thermoelectric materials are of interest for applications as heat pumps and power generators. The performance of thermoelectric devices is quantified by a figure of merit, ZT, where Z is a measure of a material's thermoelectric properties and T is the absolute temperature. A material with a figure of merit of around unity was first reported over four decades ago, but since then-despite investigation of various approaches-there has been only modest progress in finding materials with enhanced ZT values at room temperature. Here we report thin-film thermoelectric materials that demonstrate a significant enhancement in ZT at 300 K, compared to state-of-the-art bulk Bi2Te3 alloys. This amounts to a maximum observed factor of approximately 2.4 for our p-type Bi2Te3/Sb2Te3 superlattice devices. The enhancement is achieved by controlling the transport of phonons and electrons in the superlattices. Preliminary devices exhibit significant cooling (32 K at around room temperature) and the potential to pump a heat flux of up to 700 W cm-2; the localized cooling and heating occurs some 23,000 times faster than in bulk devices. We anticipate that the combination of performance, power density and speed achieved in these materials will lead to diverse technological applications: for example, in thermochemistry-on-a-chip, DNA microarrays, fibre-optic switches and microelectrothermal systems.
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