2p-type Thermoelectric Semiconductors
Bán dẫn nhiệt điện loại p
This direction addresses p-type oxide thermoelectrics, centered on the delafossite oxide CuCrO₂ (Mg-doped, Mg–Ti and Mg–Zn co-doped) and the layered cobaltite Ca₃Co₄O₉, with the aim of harvesting waste heat as electricity. Because thermoelectric performance is fundamentally governed by semiconductor band structure and carrier dynamics, our approach centers on manipulating the electronic structure at the atomic and microstructural level: controlling intrinsic point defects (oxygen vacancies, interstitial oxygen, Cu⁺/Cu²⁺ hopping conduction) to modulate carrier concentration; engineering density-of-states effective mass and Fermi-level position ("band flattening") to raise the Seebeck coefficient without sacrificing conductivity; exploiting donor–acceptor compensation in co-doped systems to fine-tune carrier type and mobility; and using preferred crystallographic orientation, residual stress, and film thickness as additional levers on weighted mobility. These fundamentals are validated across both thin-film (magnetron-sputtered) and bulk ceramic (solid-state reaction, spark plasma sintering) forms, positioning the work toward practical flexible and rigid thermoelectric modules for low-grade waste-heat recovery.
Hướng nghiên cứu này tập trung vào các vật liệu oxit nhiệt điện loại p, trọng tâm là oxit delafossite CuCrO₂ (pha tạp Mg, đồng pha tạp Mg–Ti và Mg–Zn) và cobaltite dạng lớp Ca₃Co₄O₉, nhằm thu hồi nhiệt thải thành điện năng. Vì hiệu suất nhiệt điện về cơ bản do cấu trúc vùng năng lượng và động học hạt tải của chất bán dẫn quyết định, cách tiếp cận của chúng tôi là điều khiển cấu trúc điện tử ở cấp độ nguyên tử và vi cấu trúc: kiểm soát các khuyết tật điểm nội tại (nút khuyết oxy, oxy điền kẽ, dẫn điện nhảy bậc Cu⁺/Cu²⁺) để điều chỉnh nồng độ hạt tải; điều khiển khối lượng hiệu dụng theo mật độ trạng thái và vị trí mức Fermi ("làm phẳng vùng năng lượng") để tăng hệ số Seebeck mà không làm giảm độ dẫn điện; tận dụng sự bù trừ donor–acceptor trong các hệ đồng pha tạp để tinh chỉnh loại hạt tải và độ linh động; đồng thời dùng hướng tinh thể ưu tiên, ứng suất dư và bề dày màng làm các đòn bẩy bổ sung cho độ linh động có trọng số. Các nguyên lý này được kiểm chứng trên cả dạng màng mỏng (phún xạ magnetron) và gốm khối (phản ứng pha rắn, thiêu kết plasma xung), hướng đến các mô-đun nhiệt điện dẻo và cứng thực tế để thu hồi nhiệt thải ở nhiệt độ thấp.
Selected publications / Công bố tiêu biểu
- Interstitial oxygen-enhanced Cu+/Cu2+ hopping conduction governing thickness-dependent thermoelectric performance in Mg-doped CuCrO2 thin films
- New record high thermoelectric ZT of delafossite-based CuCrO2 thin films obtained by simultaneously reducing electrical resistivity and thermal conductivity via heavy doping with controlled residual stress
- The roles of interstitial oxygen and phase compositions on the thermoelectric properties CuCr0.85Mg0.15O2 delafossite material
- Defect-mediated carrier transport in Mg-Ti co-doped CuCrO2 thin films via donor–acceptor compensation for thermoelectric applications
- Tailoring orientation of microstructure for improving thermopower factor in Mg-doped CuCrO2 thick films