Thermoelectric nanostructures: From physical model systems towards nanograined composites

Advanced Energy Materials

Volumn 1, Issue 5, 2011, Pages 713-731

  Nielsch, Kornelius ^a   Bachmann, Julien ^a   Kimling, Johannes ^a   Böttner, Harald ^b  

^a UNIVERSITY OF HAMBURG   (Germany)

^b FRAUNHOFER INSTITUTE FOR PHYSICAL MEASUREMENT TECHNIQUES IPM   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EFFICIENT USE OF ENERGY; ELECTRICAL CONDUCTIVITY; EMERGING MATERIALS; FIGURE OF MERITS; NANO SCALE; NANO-STRUCTURED; NANOSTRUCTURED SILICON; PHYSICAL MODEL; SCALABLE SYNTHESIS; THERMOELECTRIC EFFICIENCY; THERMOELECTRIC MATERIAL; THERMOELECTRIC MODEL; THERMOELECTRICS;

ELECTRIC CONDUCTIVITY; ENERGY RESOURCES; NANOWIRES; SILICON ALLOYS; THERMOELECTRICITY;

THERMAL CONDUCTIVITY;

EID: 84861337012     PISSN: 16146832     EISSN: 16146840     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/aenm.201100207     Document Type: Review

References (129)

1. Lawrence Livermore National Laboratory, DOEs, (2009). https://publicaffairs.llnl.gov/news/energy/energy.html (last accessed July 2011).
2. J. Sommerlatte, K. Nielsch, H. Böttner, Phys. J. 2007, 6, 35-41.
3. G. S. Nolas, J. Sharp, H. J. Goldsmid, Thermoelectrics-Basic Principles and New Materials Developments, Springer, Berlin, 2001.
4. T. M. Tritt, M. A. Subramanian, MRS Bull. 2006, 31, 188.
5. A. F. Ioffe, Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling, Infosearch Limited, London, 1957.
6. A. I. Hochbaum, R. K. Chen, R. D. Delgado, W. J. Liang, E. C. Garnett, M. Najarian, A. Majumdar, P. D. Yang, Nature 2008, 451, 163.
7. A. I. Boukai, Y. Bunimovich, J. Tahir-Kheli, J. K. Yu, W. A. Goddard, J. R. Heath, Nature 2008, 451, 168.
8. a) R. Venkatasubramanian, T. Colpitts, E. Watko, M. Lamvik, N. ElMasry, J. Cryst. Growth 1997, 170, 817;
9. b) R. Venkatasubramanian, Phys. Rev. B 2000 61, 3091;
10. c) R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts, B. O'Quinn, Nature 2001, 413, 597.
11. T. C. Harman, P. J. Taylor, M. P. Walsh, B. E. Laforge, Science 2002 297, 2229.
12. K. F. Hsu, S. Loo, F. Guo, W. Chen, J.S. Dyck, C. Uher, T. Hogan, Polychroniadis, M. G. Kanatzidis, Science 2004, 330, 818.
13. H. Fleischmann, Z. Naturforschg. 1961, 16, 765.
14. B. Poudel, Q. Hao, Y. Ma, Y. Lan, A. Minnich, B. Yu, X. Yan, D. Wang, A. Muto, D. Vashaee, X. Chen, J. Liu, M. S. Dresselhaus, G. Chen, Z. Ren, Science 2008, 320, 634.
15. L. D. Hicks, M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 1993 47, 12727.
16. Z. Zhang, X. Sun, M. S. Dresselhaus, J. Y. Ying, J. P. Heremans, Appl. Phys. Lett. 1998 73, 1589.
17. Z. Zhang, X. Sun, M. S. Dresselhaus, J. Y. Ying, J. Heremans, Phys. Rev. B 2000, 61, 4850.
18. X. Sun, Z. Zhang, M. S. Dresselhaus, Appl. Phys. Lett. 1999, 74, 4005.
19. Y.-M. Lin, X. Sun, M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 2000, 62, 4610.
20. J. Heremans, C. M. Thrush, Z. Zhang, X. Sun, M. S. Dresselhaus, J. Y. Ying, D. T. Morelli, Phys. Rev. B 1998, 58, 10091.
21. J. Heremans, C. M. Trush, Y.-M. Lin, S. Cronin, Z. Zhang, M. S. Dresselhaus, J. F. Mansfield, Phys. Rev. B 2000, 61, 2921.
22. A. Boukai, K. Xu, J. R. Heath, Adv. Mater. 2006 18, 864.
23. S. B. Cronin, Y.-M. Lin, O. Rabin, M. R. Black, J. Y. Ying, M. S. Dresselhaus, P. L. Gai, J.-P. Minet, J.-P. Issi, Nanotechnolgy 2002, 13, 653.
24. A. L. Moore, M. T. Pettes, F. Zhou, L. Shi, J. Appl. Phys. 2009, 106, 034310.
25. W. Shim, J. Ham, K.-I. Lee, W. Y. Jeung, M. Johnson, W. Lee, Nano Lett. 2009, 9, 18.
26. D. A. Broido, T. L. Reinecke, Phys. Rev. B 2001, 64, 045324.
27. a) N. Mingo, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 2652;
28. b) N. Mingo, Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 139901.
29. S. Farhangfar, J. Phys. D: Appl. Phys. 2011, 44, 125403.
30. J. E. Cornett O. Rabin, Appl. Phys. Lett. 98, 182104.
31. J. W. Roh, S. Y. Jang, J. Kang, S. Lee, J.-S. Noh, W. Kim, J. Park, W. Lee, Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 103101.
32. A. L. Moore, M. T. Pettes, F. Zhou, L. Shi, J. Appl. Phys. 2009, 106, 034310.
33. H. Kim, I. Kim, H.-J. Choi, W. Kim, Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 233106.
34. Z. Wang, N. Mingo, Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 101903.
35. A. Mavrokefalos, A. L. Moore, M. T. Pettes, L. Shi, W. Wang, X. Li, J. Appl. Phys. 2009, 105, 104318.
36. D. Li, Y. Wu, P. Kim, L. Shi, P. Yang, A. Majumdar, Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 2934.
37. R. S. Wagner, W. C. Ellis, Appl. Phys. Lett. 1964, 4, 89.
38. A. M. Morales, C. M. Lieber, Science 1998, 279, 208.
39. M. Law, J. Goldberger, P. Yang, Annu. Rev. Mater. Res. 2004, 34, 83.
40. C. Kittel, Phys. Rev. 1949, 75, 972.
41. Z. Huang, N. Geyer, P. Werner, J. d. Boor, U. Gösele, Adv. Mater. 2011, 23, 285.
42. K. Hippalgaonkar, B. Huang, R. Chen, K. Sawyer, P. Ercius, A. Majumdar, Nano Lett. 2010, 10, 4341.
43. W. Liu, M. Asheghi, J. Appl. Phys. 2005, 98, 123523.
44. R. Yang, G. Chen, M. S. Dresselhaus, Nano Lett. 2005, 5, 1111.
45. P. N. Martin, Z. Aksamija, E. Pop, U. Ravaioli, Nano. Lett. 2010, 10, 1120.
46. E. A. Hoffmann, H. A. Nilsson, J. E. Matthews, N. Nakpathomkun, A. I. Persson, L. Samuelson, H. Linke, Nano Lett. 2009, 9, 779.
47. T. E. Humphrey, R. Newbury, R. P. Taylor, H. Linke, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 116801.
48. N. Nakpathomkun, H. Q. Xu, H. Linke, Phys. Rev. B 2010, 82, 235428.
49. R. Scheibner, E. G. Novik, T. Borzenko, M. König, D. Reuter, A. D. Wieck, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, Phys. Rev B 2007, 75, 041301 (2007 ).
50. R. Scheibner, M. König, D. Reuter, A. D. Wieck, C. Gould, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, New J. Phys. 2008, 10, 083016.
51. J.-K. Yu, S. Mitrovic, D. Tham, J. Varghese, J. R. Heath, Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 718.
52. J. Tang, H.-T. Wang, D. H. Lee, M. Fardy, Z. Huo, T. P. Russell, P. Yang, Nano Lett. 2010, 10, 4279.
53. P. E. Hopkins, C. M. Reinke, M. F. Su, R. H. Olsson III, E. A. Shaner, Z. C. Leseman, J. R. Serrano, L. M. Phinney, I. El-Kady, Nano Lett. 2011, 11, 107.
54. Y. He, D. Donadio, J.-H. Lee, J. C. Grossman, G. Galli, ACS Nano 2011, 5, 1839.
55. M. Kashiwagi, S. Hirata, K. Harata, Y. Zheng, K. Miyazaki, M. Yahiro, C. Adachi, Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 023114.
56. J. Nurnus, H. Böttner, A. Lambrecht, Nanoscale Thermoelectrics, in: Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano-structured Materials (Ed: D.M. Rowe ), Taylor & Francis, Boca Raton, FL 2006, 48.1-48.23.
57. H. Böttner, G. Chen, R. Venkatasubramanian, MRS Bull. 2006, 31, 211.
58. C. J. Vineis, A. Shakouri, A. Majumdar, M. G. Kanatzidis, Adv. Mater. 2010, 22, 3970.
59. V. Semenyuk, Proc. 25th Int. Conf. Thermoelectrics, August 6-10, 2006, Vienna, Austria, 2006, 322-326.
60. a) H. Böttner, J. Nurnus, A. Gavrikov, G. Kühner, M. Jägle, C. Künzel, D. Eberhard, G. Plescher, A. Schubert, K.-H. Schlereth, IEEE J. Microelectromech. Syst. 2004, 13, 414;
61. b) H. Böttner, J. Nurnus, A. Schubert, F. Volkert, Proc. 26th Int. Conf. Thermoelectrics, June 3-7, 2007, Jeju Island, Korea, 2007, 311-314.
62. D. G. Cahill, M. Katiyar, J. R. Abelson, Phys. Rev. B 1994, 50, 6077.
63. W. S. Capinski, H. J. Maris, T. Ruf, M. Cardona, K. Ploog, D. S. Katzer, Phys. Rev. B 1999, 59, 8105.
64. M. N. Touzelbaev, P. Zhou, R. Venkatasubramanian, K. E. Goodson, J. Appl. Phys. 2001, 90, 763.
65. T. C. Harman, D. L. Spears, M. P. Walsh, J. Electron. Mater. 1999, 28, L1-L4.
66. a) T. C. Harman, P. J. Taylor, D. L. Spears, M. P. Walsh, J. Electron. Mater. 2000, 29, L1-L4;
67. b) T. C. Harman, P. J. Taylor, M. P. Walsh, B. E. LaForge, Science 2002, 297, 2229.
68. T. C. Harman, M. P. Walsh, B. E. Laforge, G. W. Turner, J. Electron. Mater. 2005, 34, L19.
69. C. J. Vineis, T. C. Harman, S. D. Calawa, M. P. Walsh, R. E. Reeder, R. Singh, A. Shakouri, Phys. Rev. B 2008, 77, 235202.
70. G. Pernot, M. Stoffel, I. Savic, F. Pezzoli, P. Chen, G. Savelli, A. Jacquot, J. Schumann, U. Denker, I. Mönch, Ch. Deneke, O. G. Schmidt, J. M. Rampnoux, S. Wang, M. Plissonnier, A. Rastelli, S. Dilhaire, N. Mingo, Nat. Mater. 2010, 9, 491.
71. F. R. Harris, S. Standridge, C. Feik, D. C. Johnson, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 5296.
72. a) C. Chiritescu, D. G. Cahill, N. Nguyen, D. Johnson, A. Bodapati, P. Keblinski, P. Zschack, Science 2007, 315, 351;
73. b) A. Mavrokefalos, N. T. Nguyen, M. T. Pettes, D. C. Johnson, L. Shi, Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 171912.
74. C. L. Heideman, R. Rostek, M. D. Anderson, A. A. Herzing, I. M. Anderson, D. C. Johnson, J. Electron. Mater. 2010, 39, 1476.
75. J.-P. Fleurial, A. Borshchevsky, M. A. Ryan, W. Philips, E. Kolawa, R. Ewell, "Thermoelectric Microcoolers for Thermal Management Applications", Proc. 16th Int. Conf. Thermoelectrics, August 1997, Dresden, Germany, 641.
76. J. Nurnus, H. Böttner, C. Künzel, U. Vetter, A. Lambrecht, Proc. 21st Int. Conf. Thermoelectrics, August 25-29, 2002, Long Beach, USA, 323-527 ( 2002 ).
77. a) A. Shakouri, J. E. Bowers, Appl. Phys. Lett. 1997, 71, 1234;
78. b) D. Vashaee, A. Shakouri, Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 106103;
79. c) T. E. Humphrey, M. F. O'Dwyer, H. Linke, J. Phys. D: Appl. Phys. 2005, 38, 2051.
80. a) V. Rawat, T. Sands, J. Appl. Phys. 2006, 100, 064901 ;
81. b) V. Rawat, Y. K. Koh, D. G. Cahill, T. D. Sands, J. Appl. Phys. 2009, 105, 024909.
82. a) M. Zebarjadi, Z. X. Bian, R. Singh, A. Shakouri, R. Wortman, V. Rawat, T. Sands, J. Electron. Mater. 2009, 38, 960 ;
83. b) V. Rawat, Y. K. Koh, D. G. Cahill, T. D. Sands, J. Appl. Phys. 2009, 105, 024909.
84. W. Kim, S. L. Singer, A. Majumdar, D. Vashaee, Z. Bian, A. Shakouri, G. Zeng, J. E. Bowers, J. M. O. Zide, A. C. Gossard, Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 242107.
85. W. Kim, J. Zide, A. Gossard, D. Klenov, S. Stemmer, A. Shakouri, A. Majumdar, Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 045901.
86. a) R. Singh, Z. Bian, A. Shakouri, G. Zeng, J.-H. Bahk, J. E. Bowers, J. M. O. Zide, A. C. Gossard, Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 212508 ;
87. b) G. Zeng, J.-H. Bahk, J. E. Bowers, H. Lu, A. C. Gossard, S. L. Singer, A. Majumdar, Z. Bian, M. Zebarjadi, A. Shakouri, Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 083503.
88. X. F. Tang, W. J. Xie, H. Li, W. Y. Zhao, Q. J. Zhang, M. Niino, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 012102.
89. Y. Ma, Q. Hao, B. Poudel, Y. Lan, B. Yu, D. Wang, G. Chen, Z. Ren, Nano Lett. 2008, 8, 2580.
90. Y. Q. Cao, X. Zhao, T. J. Zhu, X. B. Zhang, J. P. Tu, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 143106.
91. a) W. Xie, X. Tang, Y. Yan, Q. Zhang, T. M. Tritt, Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 102111 ;
92. b) W. Xie, X. Tang, Y. Yan, Q. Zhang, T. M. Tritt, J. Appl. Phys. 2009, 105, 113713.
93. C. Chiritescu, C. Mortensen, D. G. Cahill, D. Johnson, P. Zschack, J. Appl. Phys. 2009, 106, 073503.
94. D. G. Ebling, A. Jacquot, M. Jägle, H. Böttner, U. Kühn, L. Kirste, Phys. Status Solidi - Rapid Res. Lett. 2007, 1, 238.
95. J. S. Lee, T. S. Oh, D.-B. Hyun, J. Mater. Sci. 2005, 35, 881.
96. X. Yan, B. Poudel, Y. Ma, W. S. Liu, G. Joshi, H. Wang, Y. Lan, D. Wang, G. Chen, Z. F. Ren, Nano Lett. 2010, 10, 3373.
97. D. T. Morelli, V. Jovovic, J. P. Heremans, Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 035901.
98. H. Wang. J.-F. Li, M. Zou, T. Sui, Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 202106.
99. K. F. Hsu, S. Loo, F. Guo, W. Chen, J. S. Dyck, C. Uher, T. Hogan, E. K. Polychroniadis, M. G. Kanatzidis, Science 2004, 303, 818.
100. J. Cui, X. Liu, W. Yang, D. Chen, H. Fu, P. Ying, J. Appl. Phys. 2009, 105, 063703.
101. C.-H. Kuo, M.-S. Jeng, J.-R. Ku, S.-K. Wu, Y.-W. Chou, C.-S. Hwang, J. Electron. Mater. 2009, 38, 1956.
102. J. P. Heremans, V. Jovovic, E. S. Toberer, A. Saramat, K. Kurosaki, A. Charoenphadee, S. Yamanaka, G. J. Snyder, Science 2008, 321, 554.
103. B. Yu, Q. Zhang, H. Wang, X. Wang, H. Wang, D. Wang, H. Wang, G. J. Snyder, G. Chen, Z. F. Ren, J. Appl. Phys. 2010, 108, 016104.
104. M. G. Kanatzidis, Chem. Mater. 2010, 22, 648.
105. J. Androulakis, C.-H. Lin, H.-J. Kong, C. Uher, C.-I. Wu, T. Hogan, B. A. Cook, T. Caillat, K. M. Paraslevopoulos, M. G. Kanatzidis, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 9780.
106. K. Biswas, J. He, Q. Zhang, G. Wang, C. Uher, V. P. Dravid, M. G. Kanatzidis, Nat. Chem. 2011, 3, 160.
107. H. Wang, J.-F. Li, C.-W. Nan, M. Zhou, W. Liu, B.-P. Zhang, T. Kita, Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 092104.
108. a) G. Joshi, H. Lee, Y. Lan, X. Wang, G. Zhu, D. Wang, R. W. Gould, D. C. Cuff, M. Y. Tang, M. S. Dresselhaus, G. Chen, Z. Ren, Nano Lett. 2008, 8, 4670 ;
109. b) X. W. Wang, H. Lee, Y. C. Lan, G. H. Zhu, G. Joshi, D. Z. Wang, J. Yang, A. J. Muto, M. Y. Tang, J. Klatsky, S. Song, M. S. Dresselhaus, G. Chen, Z. Ren, Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 193121.
110. www.metal-pages.com/metalprices/germanium
111. G. H. Zhu, H. Lee, Y. C. Lan, X. W. Wang, G. Joshi, D. Z. Wang, J. Yang, D. Vashaee, H. Guilbert, A. Pillitteri, M. S. Dresselhaus, G. Chen, Z. F. Ren, Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 196803.
112. S. K. Bux, R. G. Blair, P. K. Gogna, H. Lee, G. Chen, M. S. Dresselhaus, R. B. Kaner, J.-P. Fleurial, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2445.
113. N. Petermann, N. Stein, G. Schierning, R. Theissmann, B. Stoib, M. Brandt, C. Hecht, C. Schulz, H. Wiggers, J. Phys. D: Appl. Phys. 2011, 44, 174034.
114. N. Stein, N. Petermann, R. Theissmann, G. Schierning, R. Schmechel, H. Wiggers, J. Mater. Res. 2011, 26, 1872.
115. C. Bera, M. Soulier, C. Navone, G. Roux, J. Simon, S. Volz, N. Mingo, J. Appl. Phys. 2010, 108, 124306.
116. N. Mingo, D. Hauser, N. P. Kobayashi, M. Plissonnier, A. Shakouri, Nano Lett. 2009, 9, 711.
117. W. Liu, X. Tang, J. Sharp, J. Phys. D: Appl. Phys. 2010, 43, 085406.
118. H. Li, X. Tang, X. Su, Q. Zhang, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 202114.
119. J. Yang, Q. Hao, H. Wang, Y. C. Lan, Q. Y. He, A. Minnich, D. Z. Wang, J. A. Harriman, V. M. Varki, M. S. Dresselhaus, G. Chen, Z. F. Ren, Phys. Rev. B 2009, 80, 115329.
120. Q. He, S. Hu, X. Tang, Y. Lan, J. Yang, X. Wang, Z. Ren, Q. Hao, G. Chen, Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 042108.
121. X. Yan, G. Joshi, W. Liu, Y. Lan, H. Wang, S. Lee, J. W. Simonson, S. J. Poon, T. M. Tritt, G. Chen, Z.F. Ren, Nano Lett. 2011, 11, 556.
122. www.metal-pages.com/metalprices
123. E. J. Menke, Q. Li, R. M. Penner, Nano Lett. 2004, 4, 2009.
124. M. S. Sander, A. L. Prieto, R. Gronsky, T. Sands, A. M. Stacy, Adv. Mater. 2002, 14, 665.
125. W. Wang, X. Lu, T. Zhang, G. Zhang, W. Jiang, X. Li, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6702.
126. Y. M. Zuev, J. S. Lee, C. Galloy, H. Park, P. Kim, Nano Lett. 2010, 10, 3037.
127. A. Mavrokefalos, M. T. Pettes, F. Zhou, L. Shi, Rev. Sci. Instrum. 2007, 78, 034901.
128. J. Zhou, C. Jin, J. H. Seol, X. Li, L. Shi, Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 133109.
129. F. Zhou, J. Szczech, M. T. Pettes, A. L. Moore, S. Jin, L. Shi, Nano Lett. 2007, 7, 1649.