1Thermoelectric Alloys and n-type Semiconductors
Hợp kim nhiệt điện và bán dẫn nhiệt điện loại n
This direction focuses on tuning the semiconducting transport properties of n-type oxide systems and chalcogenide/alloy materials to harvest waste heat as electricity. Our principal material platforms include n-type ZnO (doped with In, Ga, Al, Sb, Bi, Ta, and F, including dopant-free defect engineering), Sn-doped In₂O₃, sub-stoichiometric tungsten oxides (W₁₈O₄₉, WO₂.₉₀, WO₂.₇₂ and their W₁₇TrO₄₉ derivatives), and a growing chalcogenide/alloy line — Cu₂Se, Cu₄SnS₄, Cu₂+ₓZn₁₋ₓSnS₄ (kesterite), Mg₂Sn, PbTe, and Bi₂Te₃. 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) to modulate carrier concentration; engineering density-of-states effective mass and Fermi-level position ("band flattening") to raise the Seebeck coefficient without sacrificing conductivity; and using preferred crystallographic orientation, residual stress, and film thickness as additional levers on weighted mobility. On the phonon-transport side, we suppress lattice thermal conductivity through nanostructuring, oxygen-vacancy clustering, and phase-competition/composite strategies (e.g., W₁₈O₄₉/ZnO composites), while energy-filtering heterostructures (ZnO:Mg/ZnO) are used to decouple the conventional Seebeck–conductivity trade-off. 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 điều khiển các tính chất truyền dẫn bán dẫn của các hệ oxit loại n và vật liệu chalcogenide/hợp kim nhằm thu hồi nhiệt thải thành điện năng. Các hệ vật liệu chính gồm: ZnO loại n (pha tạp In, Ga, Al, Sb, Bi, Ta và F, kể cả kỹ thuật khuyết tật không pha tạp), In₂O₃ pha tạp Sn, các oxit vonfram thiếu hợp thức (W₁₈O₄₉, WO₂.₉₀, WO₂.₇₂ và các dẫn xuất W₁₇TrO₄₉), cùng với dòng vật liệu chalcogenide/hợp kim đang được mở rộng — Cu₂Se, Cu₄SnS₄, Cu₂+ₓZn₁₋ₓSnS₄ (kesterite), Mg₂Sn, PbTe và Bi₂Te₃. 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) 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; 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. Về truyền dẫn phonon, chúng tôi giảm độ dẫn nhiệt mạng thông qua cấu trúc nano, sự kết cụm nút khuyết oxy và các chiến lược cạnh tranh pha/vật liệu composite (ví dụ composite W₁₈O₄₉/ZnO), trong khi các cấu trúc dị thể lọc năng lượng (ZnO:Mg/ZnO) được sử dụng để tách rời sự đánh đổi thông thường giữa hệ số Seebeck và độ dẫn điện. 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
- Coupling modification of Fermi level, band flattening and lattice defects to approach outstanding thermoelectric performance of ZnO films via tuning In and Ga incorporation
- Indium-Assisted Gallium Solubility Expansion and Defect Hierarchy Evolution in Thermoelectric ZnO Ceramics
- Preferred orientation-dependent thermoelectric properties of Sn-doped In2O3 thin films via sputtering time control
- Exceptionally low lattice thermal conductivity in polycrystalline ceramic penta-columnar W18O49: elucidating morphology, underlying mechanism, and the impact of derivative W17TrO49 (Tr = V, Ti, Ta)
- Non-monotonic thermoelectric transport controlled by phase competition in Mg2Sn thin films