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Tailoring thermal conduction in anatase TiO2

Résumé

Thermal conductivity (κ) plays an essential role in functional devices. It is advantageous to design materials where one can tune κ in a wide range according to its function: single-crystals and nanowires of anatase polymorph of titanium dioxide, broadly used in applications ranging from photovoltaics, reflective coatings to memristors, have been synthesized in large quantities. Here we identify a new, strong diffusion mechanism of heat by polaronic structures due to oxygen vacancies, which considerably influences both the absolute value and the temperature dependence of κ. The additional decrease of κ is achieved in anatase nanowires organized into foam, where porosity and the quasi-one-dimensional size-effect dramatically hinder the propagation of heat, resulting in an extremely low κ = 0.014 W/Km at room-temperature. Doping this anatase foam could herald promising applications, in particular in thermoelectricity.

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Concepts associés (12)
Polaron
A polaron is a quasiparticle used in condensed matter physics to understand the interactions between electrons and atoms in a solid material. The polaron concept was proposed by Lev Landau in 1933 and Solomon Pekar in 1946 to describe an electron moving in a dielectric crystal where the atoms displace from their equilibrium positions to effectively screen the charge of an electron, known as a phonon cloud. This lowers the electron mobility and increases the electron's effective mass.
Thermoélectricité
La thermoélectricité est l'électricité générée par l'effet thermoélectrique, un phénomène physique présent dans certains matériaux, qui lie les flux de chaleur qui les traversent aux courants électriques qui les parcourent. Cet effet est à la base d'applications, dont très majoritairement la thermométrie, puis la réfrigération ( module Peltier) et enfin, très marginalement, la génération d'électricité (par « thermopile » ou « calopile »). Elle a été découverte puis comprise au cours du grâce aux travaux de Seebeck, Peltier ou encore Lord Kelvin.
Dopage (semi-conducteur)
Dans le domaine des semi-conducteurs, le dopage est l'action d'ajouter des impuretés en petites quantités à une substance pure afin de modifier ses propriétés de conductivité. Les propriétés des semi-conducteurs sont en grande partie régies par la quantité de porteurs de charge qu'ils contiennent. Ces porteurs sont les électrons ou les trous. Le dopage d'un matériau consiste à introduire, dans sa matrice, des atomes d'un autre matériau. Ces atomes vont se substituer à certains atomes initiaux et ainsi introduire davantage d'électrons ou de trous.
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