Il miglioramento dei materiali termoelettrici che possono convertire direttamente il calore disperso in energia elettrica può portare a una delle soluzioni per i problemi energetici. Per alte prestazioni nei materiali termoelettrici, è necessario per condurre facilmente l'elettricità mentre rende difficile il passaggio del calore. Vale a dire, sono necessarie un'elevata conduttività elettrica e una bassa conduttività termica. Però, è stato molto difficile a lungo perché entrambe le conducibilità sono correlate. Ora, la nanostrutturazione era prevista per il controllo indipendente di entrambe le conduzioni, ma la sua metodologia mediante la nanostrutturazione non era ancora chiara.

Yoshiaki Nakamura, Il professore dell'Università di Osaka ha proposto una nanostruttura unica (Fig. 1) e ha stabilito una metodologia per lo sviluppo di un materiale in cui le conduzioni di calore ed elettricità possono essere controllate simultaneamente.

Il suo gruppo di ricerca ha creato una nanostruttura in cui sono stati formati nanopunti ultrapiccoli di germanio (Ge) con orientamenti di cristallo identici in silicio (Si). In questa struttura, flussi di corrente elettrica in Si e la conduzione termica è stata impedita da nanopunti di Ge, perciò, sono state realizzate contemporaneamente un'alta conduttività elettrica e una bassa conduttività termica. Rendendo la forma e la dimensione dei fattori di controllo dei nanopunti di Ge, è diventato possibile controllare la conducibilità termica a piacimento. Utilizzando questa tecnica, questo gruppo è riuscito ad aumentare la resistenza termica dell'interfaccia Si/Ge da 2 a 3 volte rispetto ai valori convenzionali, ottenendo la più grande resistenza termica dell'interfaccia Si/Ge al mondo.

I risultati di questa ricerca mostrano che introducendo nanopunti di Ge ultrapiccoli cresciuti epitassialmente in materiali con elevata conducibilità elettrica, la conduzione di calore ed elettricità può essere controllata con successo simultaneamente. Inoltre, perché questi risultati non sono limitati a Si, si può anticipare che questa ricerca sarà impiegata nello sviluppo di materiali termoelettrici che utilizzano anche altri materiali, che sono molto richiesti per l'utilizzo del calore di scarto nelle fabbriche e nelle automobili.

Nella nostra attuale società dell'informazione, il calore disperso emesso dagli LSI (Circuiti integrati su larga scala) nei nostri PC e server è cresciuto enormemente nel corso degli anni, e lo sviluppo di materiali termoelettrici a base di Si compatibili con LSI è diventato necessario per utilizzare questo calore di scarto come energia termoelettrica. Questa ricerca ha mostrato un possibile miglioramento dell'efficienza di questa conversione del calore di scarto in elettricità attraverso l'introduzione di nanostrutture a Si, un potenziale passo avanti nella realizzazione di materiali termoelettrici a base di Si per l'uso nella conversione del calore di scarto LSI.