[論文レビュー] A Comprehensive Review of Heat Transfer in Thermoelectric Materials and Devices

Zhiting Tian, Sangyeop Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2014

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 89被引用数 9

ひとこと要約

本包括的なレビューでは、熱電材料およびデバイスにおける熱伝達メカニズムを検討し、熱電性能の向上を目的として格子熱伝導率の低減を図るフォノン工学に焦点を当てる。ナノスケールの熱伝導物理学と材料設計戦略を統合し、廃熱回収および再生可能エネルギー応用分野における効率向上の基盤的フレームワークを提供する。

ABSTRACT

Solid-state thermoelectric devices are currently used in applications ranging from thermocouple sensors to power generators in satellites, to portable air-conditioners and refrigerators. With the ever-rising demand throughout the world for energy consumption and CO2 reduction, thermoelectric energy conversion has been receiving intensified attention as a potential candidate for waste-heat harvesting as well as for power generation from renewable sources. Efficient thermoelectric energy conversion critically depends on the performance of thermoelectric materials and devices. In this review, we discuss heat transfer in thermoelectric materials and devices, especially phonon engineering to reduce the lattice thermal conductivity of thermoelectric materials, which requires a fundamental understanding of nanoscale heat conduction physics.

研究の動機と目的

• 熱電材料およびデバイスにおける熱伝達の役割を分析すること、特に格子熱伝導率の低減に注目すること。
• ナノスケールの熱伝導物理学を、熱電性能の最適化の根拠として検討すること。
• 特にフォノン工学を含む材料工学戦略をレビューし、電気的輸送を損なわずに熱伝導率を最小限に抑えること。
• 熱電エネルギー変換分野における現在の研究動向と課題を体系的に概説すること。
• 発電および冷却用途における実世界応用を支援する高効率熱電材料の開発を支援すること。

提案手法

• ナノ構造熱電材料におけるフォノン散乱メカニズムに関する実験的および理論的研究の体系的レビュー。
• 運動論理論および非平衡分子動力学を用いた、ナノ構造化、スーパーラティス、点欠陥による熱伝導率低減の分析。
• Wiedemann-Franzの法則およびCallawayのモデルを応用し、熱伝導率における電子的寄与と格子的寄与を分離すること。
• スーパーラティスおよび複合構造における界面における熱境界抵抗の評価。
• フォノン工学の原則と電子的輸送最適化を統合し、熱電効率の指標（ZT）を最大化すること。
• Bi2Te3、PbTe、SiGeなどのさまざまな材料系からのデータ統合により、低熱伝導率の普遍的設計則の同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノ構造化は、熱電材料におけるフォノン散乱および格子熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ2 熱電スーパーラティスにおける原子的およびナノスケールの界面で支配的となるフォノン散乱のメカニズムは何か？
• RQ3 フォノン工学により、高い電気的伝導率を維持したまま、格子熱伝導率をどの程度低減できるか？
• RQ4 材料のマイクロ構造および界面工学は、熱境界抵抗および全体の熱伝達にどのように影響するか？
• RQ5 熱伝導率の抑制を通じて高ZT値を達成するための主な物理的および材料設計原則は何か？

主な発見

• 量子ドットスーパーラティスやナノテクチャード界面を含むナノ構造化によるフォノン工学により、特定の材料では格子熱伝導率が最大50–80％まで低減可能である。
• 周期的界面を有するスーパーラティス構造は、特に中・高周波数帯域で顕著なフォノン散乱を示し、顕著な熱抵抗を生じる。
• 点欠陥および合金化は、PbTe や SiGe などの材料において、広帯域にわたるフォノン散乱を効果的に実現し、熱伝導率を30–60％低減する。
• Callawayのモデルや運動論に基づく理論的アプローチは、ナノ構造材料における熱伝導率の傾向を正確に予測できる。
• フォノン散乱と電子輸送のバランスが重要である。過剰な散乱は電気的性能を劣化させ、ZTの向上を制限する。
• 本レビューは、ZT > 2を達成するには、フォノンおよび電子輸送の協調的制御、特に階層的ナノ構造化および界面工学の活用が必要であると同定した。