고성능 열전(TE) 소재를 확보하는 데 있어 주요 병목은 전기적 및 열적 파라미터 간의 강한 상호연관성을 어떻게 분리(디커플링)하는가에 있다고 규명된다. 여기서는 분말 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 기술에 기반한 정밀 계면 개질 접근법을 제시하여 CuNi 합금의 성능을 향상시킨다. ZnO 및 Al2O3 층과 이들의 조합을 분말 표면에, 일반적으로 10–100 ALD 사이클 동안 증착하고, 벌크에서의 열전 성능에 미치는 영향을 면밀히 조사한다. 에너지 필터링 효과에 의해 유도되는 제벡 계수(Seebeck coefficient)의 향상은, 산화물 층의 낮은 전기전도도로 인한 전기전도도 열화(저하)를 보상한다. 또한 산화물 층은 음향자(phonon) 산란을 유의미하게 증가시킬 수 있다. 따라서 도금(코팅) 층의 저항률을 낮추기 위해, ZnO 표면에 Al2O3를 삽입하여 다층 구조를 분말 표면에 증착한다. 정밀 미세구조 특성화 결과, 압착 후 Al 원자가 ZnO로 확산되어 도핑 효과를 구현함을 확인하였다. Al 확산은 도금 층의 전기전도도 증가 및 층 구조의 복잡성 증대 잠재력을 가진다. 순수 CuNi에 비해, 상(phase) 경계에서의 저항률 감소 및 더 강한 포논 산란에 의해 zT가 128% 증가한다.

열전 소재의 성능은 통상 무차원 성능지표인 zT로 평가된다. zT의 증가는 전기 및 열 수송 특성 간의 복잡한 상관관계로 인해 도전적이다. 본 연구는 본질적으로 낮은 격자 열전도도로 인해 고온 응용에 유망할 것으로 예측되는 Y 2 Te 3 기반 열전 소재에 초점을 맞춘다. 전자적 및 구조적 특성에 대한 영향을 탐색하기 위해, 여분의 Y를 포함한 일련의 Y 2+ x Te 3 조성을 합성하였다. 밀도범함수이론 계산은 추가적인 Y 원자가 전하 운반자를 증가시켜 전기 전도성을 향상시키고 열전 성능을 증진함을 시사한다. X선 회절 분석 결과, 여분의 Y의 존재는 격자 부피를 감소시키고 결합 구조를 변화시키는 것으로 나타났다. 또한 Bi의 첨가는 원소 Bi 입자의 분리를 촉진하고 Y-Bi-풍부 과립계(grain boundaries)를 형성함으로써 전력인자(power factor)를 크게 향상시키며, 이는 가중 이동도(weighted mobility)를 개선한다. 이러한 미세구조 최적화는 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 4배 증가시켜, 973 K에서 zT 1.23의 피크 값을 달성하고, 온도차 673 K에서 예측 최대 전환 효율 10.3%를 나타내었다. 본 연구 결과는 고온 열전 응용에서 Y 2 Te 3의 잠재력을 보여주며, 과립계 공학(grain boundary engineering)을 통해 열전 성능을 향상시킬 수 있음을 입증한다.