Práce realizovaná ve FZÚ představuje významný přínos v oblasti udržitelné energetiky a materiálového výzkumu, neboť se zaměřuje na klíčovou globální potřebu efektivní přeměny tepla na elektrickou energii. Termoelektrická zařízení, která tuto přeměnu umožňují využitím teplotního rozdílu k transportu nosičů náboje v polovodičích, získávají v posledních letech opět značnou pozornost díky svému potenciálu pro využití odpadního tepla a zvýšení celkové energetické účinnosti. Nitrid skandia (ScN) se v této oblasti ukázal jako mimořádně perspektivní materiál díky své vysoce symetrické krystalové struktuře, která poskytuje možnosti pro úpravu elektronové struktury s cílem dosáhnout nízkého elektrického odporu a nízké tepelné vodivosti. Přestože ScN vykazuje vysoký termoelektrický výkonový faktor, jeho hlavním omezením byla doposud relativně vysoká tepelná vodivost (přibližně 10 až 12 W·m-1K-1 při pokojové teplotě u tlustších vrstev), která omezuje praktickou hodnotu termoelektrického parametru účinnosti (ZT) na nízké hodnoty (0.05–0.15). Výzkum popsaný níže tuto výzvu úspěšně řeší prostřednictvím pokročilého materiálového inženýrství.
Tento průlomový výzkum materiálů na bázi ScN provedl Joris More-Chevalier společně se svými spolupracovníky v rámci skupiny Laserových technologií působící na Oddělení analýzy funkčních materiálů (28) ve FZÚ, která se zaměřuje na vývoj nových termoelektrických systémů pro přeměnu tepla na elektrickou energii. Výzkum je podpořen projektem Grantové agentury České republiky (GAČR) č. 23-07228S, jehož hlavními řešiteli jsou Ing. Michal Novotný, Ph.D. z FZÚ a Dominik Legut, Ph.D. z IT4Innovations, VŠB – Technické univerzity Ostrava.
Zlepšení termoelektrických vlastností ScN
Hlavním cílem tohoto výzkumu bylo významně zvýšit termoelektrickou účinnost, která je charakterizována bezrozměrným parametrem účinnosti (ZT). Byly zkoumány dvě odlišné strategie úpravy mikrostruktury tenkých vrstev ScN: začlenění dvojčatových domén a vytvoření vícevrstvých struktur ScN/Sc1−xNbxN.
Využití dvojčatových domén
V rámci prvního přístupu byly vrstvy ScN deponované na substrátech MgO(001) cíleně připraveny tak, aby obsahovaly strukturu s dvojčatovými doménami (označovanou jako ScN-T). Toho bylo dosaženo periodickým zapínáním a vypínáním jedné magnetronové katody během procesu reaktivního DC magnetronového naprašování (Obr. 1). Tato úprava mikrostruktury se ukázala jako jednoduché a stabilní řešení pro zlepšení termoelektrických vlastností při zvýšených teplotách. Ve srovnání s vrstvami ScN téměř bez defektů a domén vykazovaly vrstvy ScN-T výrazně lepší vlastnosti při teplotě 800 K. Konkrétně se Seebeckův koeficient (S) zvýšil přibližně o 30 % (z −64 μV·K-1 na −82 μV·K-1 při 800 K) a experimentálně stanovená dolní mez parametru ZT vzrostla více než 2,5krát (na přibližně 0.2 při 800 K). Hlavním faktorem tohoto zlepšení bylo výrazné snížení tepelné vodivosti (κ), která poklesla z 10.06 W·m-1K-1 u ScN na 2.85 W·m-1K-1 u ScN-T při 300 K. Toto zlepšení bylo způsobeno především přítomností dvojčatových domén, které potlačovaly šíření akustických fononů, a tím snižovaly tepelnou vodivost. Současně hranice dvojčatových domén vedly ke snížení elektrické vodivosti a ke zvýšení Seebeckova koeficientu. Morfologie povrchu pozorovaná pomocí mikroskopie atomárních sil (AFM) tuto skutečnost potvrdila – u vrstev ScN-T byly pozorovány zrna pyramidového tvaru charakteristická pro dvojčatění v rovinách {111}, která byla kombinována se čtvercovými zrny odpovídajícími orientaci (001).
Obrázek 1: Zlepšení termoelektrických vlastností ScN pomocí dvojčatových domén [1].
Multivrstvy dopované niobem
Druhá strategie spočívala v přípravě vícevrstvých struktur s cílem využít řízenou difuzi prostřednictvím dopovaní niobem, který je zodpovědný za rozptyl nosičů na rozhraních vrstev. Byly vytvořeny čtyři vícevrstvé struktury s celkovým atomovým podílem niobu (Nb) v rozmezí od 0.4 % do 4.8 % (Obr. 2). Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) potvrdila epitaxní růst a multivrstevnou strukturou obsahující oblasti s významným podílem Nb atomů. Tyto vícevrstvé struktury vykazovaly zlepšené termoelektrické vlastnosti, protože dopování Nb ve multivrstvách vedlo ke zvýšení Seebeckova koeficientu a snížení tepelné vodivosti. Například vzorky s 1.2 % a 1.8 % Nb dosáhly při 800 K hodnot Seebeckova koeficientu −110 μV·K-1 a −116 μV·K-1, zatímco u nedopovaného ScN byla naměřena hodnota −64 μV·K-1. Současně došlo u těchto dopovaných vzorků k výraznému snížení tepelné vodivosti z 10,06 W·m-1K-1 na 4 W·m-1K-1 při pokojové teplotě. Tato kombinace zlepšení vedla k významnému potenciálnímu zvýšení hodnoty ZT na více než 0.3 při 800 K u vzorků s 1.2 % a 1.8 % Nb, což potvrzuje perspektivnost tohoto přístupu založeného na vícevrstvých strukturách.
Ověření výsledků pomocí analytických metod a teoretických výpočtů
V průběhu výzkumu byly pokročilé analytické metody a teoretické modelování nedílnou součástí jak pochopení, tak ověření experimentálních výsledků. Ramanova spektroskopie byla využita ke studiu vlivu teploty na dynamiku fononů a potvrdila posun optických fononových módů k nižším energiím (redshift) v důsledku substituce lehčích atomů Sc těžšími atomy Nb. Výpočty založené na teorii funkcionálu hustoty (DFT) a ab initio simulace molekulární dynamiky (AIMD) podpořily experimentální výsledky a poskytly detailní vhled do elektronických a mřížkových příspěvků k tepelné vodivosti. Vypočtené termoelektrické transportní koeficienty (Seebeckův koeficient a elektrický odpor) velmi dobře odpovídaly naměřeným hodnotám pro čistý i Nb-dopovaný ScN. Shoda mezi teorií a experimentem, zejména úspěšná predikce snížení tepelné vodivosti a zvýšení Seebeckova koeficientu, poskytla pevný základ pro závěry týkající se návrhu materiálů.
Obrázek 2: Zlepšení termoelektrických vlastností ve vícevrstvých strukturách na bázi ScN prostřednictvím dopování řízeného difuzí Nb [2].
Reference:
[1] J. More-Chevalier, et al, Enhancing thermoelectric properties of ScN films through twin domains, Applied Surface Science Advances 25 (2025) 100674. doi.org/10.1016/j.apsadv.2024.100674.
[2] J. More-Chevalier, et al, Thermoelectric efficiency enhancement in ScN-based multilayers by Nb diffusion-driven doping, Applied Surface Science Advances 29 (2025) 100821. doi.org/10.1016/j.apsadv.2025.100821
