Collaborative Research: Exploring thermionic multiple barrier heterostructures and thermoelectric energy conversion using 2D layered heterostructures

合作研究:利用二维层状异质结构探索热离子多重势垒异质结构和热电能量转换

基本信息

  • 批准号:
    2323032
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2026-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Solid-state thermionic energy conversion has been predicted to be more efficient than conventional thermoelectric energy conversion based on bulk Peltier and Seebeck effects, if the thermionic barriers can be properly engineered. However, there have been relatively few experimental studies on solid-state thermionic energy conversion, mainly because of the difficulty of fabricating interfaces with the appropriate energy barriers, characterizing thermal transport across these interfaces, and separating the bulk thermoelectric properties from the interfacial properties. The proposed 2D Layered heterostructures enable these difficulties to be overcome and can potentially create a paradigm shift in the design of thermoelectric power generators and coolers with high efficiency. The project will also encompass significant educational activities, including an undergraduate research program and an outreach workshop for high school science teachers.The goal of the study is to develop a fundamental understanding of thermionic transport and energy conversion in multiple-barrier heterostructures using 2D-layered materials. Since the thermionic barriers must be thin, each barrier can have only a small temperature difference across it. Hence, macroscopic cooling and power generation needs to be obtained using multistage devices. In the proposed work, heterostructures are synthesized by physical vapor deposition (PVD), which can be used to produce heterostructures with hundreds of periods quite easily. These structures would be nearly impossible to fabricate by mechanical exfoliation. Unlike molecular beam epitaxy (MBE), the material synthesis approach proposed here is liftoff-compatible, enabling reliable measurements of cross-plane transport phenomena (electrical, thermal, and thermoelectric) using a new approach developed in the PIs’ labs. This new cross-plane measurement approach together with the configurable nanoarchitecture (i.e., layer thicknesses and total thickness) will enable the bulk and interfacial (i.e., thermionic emission) contributions to the thermovoltage to be separated. A phenomenological model of the electron and phonon transport across these novel devices will be developed using a thermionic emission transport approach. The proposed heterostructure geometries open up new degrees of freedom in the cross-plane transport with independent control of electrons and phonons, which is essential for achieving efficient energy conversion devices.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
如果能够正确设计热电子势垒,固态热电子能量转换预计将比基于体珀耳帖效应和塞贝克效应的热电能量转换更有效。然而,关于固态热电子能量转换的实验研究相对较少。 ,主要是因为制造具有适当能量势垒的界面、表征跨这些界面的热传输以及将体热电性质与界面性质分离的困难使得所提出的二维层状异质结构成为可能。这些困难需要克服,并有可能在高效热电发电机和冷却器的设计中带来范式转变。该项目还将包括重要的教育活动,包括本科生研究计划和高中科学教师的外展研讨会。该项目还将包括重要的教育活动,包括本科生研究计划和高中科学教师的外展研讨会,该研究的目标是加深对使用二维层状材料的多势垒异质结构中的热电子传输和能量转换的基本了解。由于热电子势垒必须很薄,因此每个势垒之间只能有很小的温差,因此可以实现宏观冷却和冷却。在所提出的工作中,异质结构是通过物理气相沉积(PVD)合成的,可用于轻松生产具有数百个相当周期的异质结构,这些结构几乎不可能通过机械制造。与分子束外延 (MBE) 不同,这里提出的材料合成方法与剥离兼容,可以使用 PI 实验室开发的新方法可靠地测量跨平面传输现象(电、热和热电)。这种新的跨平面测量方法与可配置的纳米结构(即层厚度和总厚度)将使热电压的体和界面(即热电子发射)贡献得以分离电子和声子传输的唯象模型。这些新颖的器件将使用热电子发射传输方法进行开发,所提出的异质结构几何形状为跨平面传输开辟了新的自由度,并独立控制电子和电子。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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