Учёные киотокийского университета Тохоку представили термоэлектрический материал на основе нитрида хрома, в который добавили титана. По их данным, эффективность преобразования тепла в электричество у полученной плёнки оказалась в 250 раз выше, чем у чистого нитрида хрома. Ключевое значение здесь не только в самой чистоте состава, но и в том, что улучшение достигается без применения высокотемпературных технологических процессов, что удобно для интеграции таких элементов в электронные устройства.

Исходный нитрид хрома уже применяют в виде тонких покрытий, которые наносятся при комнатной температуре. При этом в кристаллической структуре присутствуют вакансии азота — участки, где атомы этого элемента отсутствуют. Эти дефекты ухудшают термоэлектрические свойства плёнки. Добавление титана, который сильнее взаимодействует с азотом, чем хром, помогает снизить влияние дефектов и улучшить характеристики материала.

Исследователи подбирали концентрацию титана в диапазоне от 4,6 до 9,3%. В результате добавки снизили число электронов, переносящих заряд, но почти в сто раз повысили подвижность оставшихся носителей. Яснее стало, что носители заряда начинаются перемещаться по материалу существенно свободнее, чем раньше, что и обеспечивает лучшее преобразование тепла в электричество без нагревательных технологических этапов.

Ключевым параметром термоэлектрических свойств стала величина, называемая фактором мощности — учитывающая электропроводность и способность материала создавать напряжение при разнице температур. Плёнка с титановым добавлением достигла 5,26 мкВт·см⁻¹·К⁻², что составляет порядка 250-кратного превышения по сравнению с чистым нитридом хрома. Кроме того, на основе материала учёные изготовили прототип термоэлектрического генератора: его удельная выходная мощность составила 38,0 мВт/см², а максимальная мощность достигла 455,8 нВт при разнице температур 96 К, по данным авторов, эти показатели сопоставимы с существующими высокоэффективными термоэлектрическими материалами.

Технология может найти применение для выработки электричества из тепла, выделяемого смартфонами, промышленным оборудованием и транспортом. Важной стороной является возможность изготовления плёнок при комнатной температуре, что потенциально упрощает их интеграцию в устройства, чувствительные к нагреву в процессе производства.