A transparent thermoelectric material requires not only high thermoelectric performance but also high optical transmittance. However, in transparent nanostructured thermoelectric materials, the nanostructure interface brings the trade-off relationship between thermal conductivity and optical transmittance. We propose an approach for the simultaneous control of thermal conductivity and optical transmittance in the epitaxial nanostructured films, where carriers can be smoothly transported. This is realized by the interface design based on the three strategies: (1) a large atomic mass difference at the heterointerface for low thermal conductivity; (2) heterointerface with almost the same refractive index and flat surface for high optical transmittance; and (3) epitaxial heterointerface for smooth carrier transport. We formed epitaxial ZnO/SnO2 multilayer films based on this design guideline. The multilayer films exhibit lower thermal conductivity and higher optical transmittance than an ever reported transparent nanostructured thermoelectric material. These results highlight that this design is promising to realize high-performance transparent nanostructured thermoelectric materials.

1.
T.-C.
Chang
,
K.-C.
Chang
,
T.-M.
Tsai
,
T.-J.
Chu
, and
S. M.
Sze
,
Mater. Today
19
,
254
264
(
2016
).
2.
T.
Ishibe
,
T.
Kurokawa
,
N.
Naruse
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
141601
(
2018
).
3.
T.
Ishibe
,
Y.
Maeda
,
T.
Terada
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
E.
Kobayashi
, and
Y.
Nakamura
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
21
,
195
204
(
2020
).
4.
A. J.
Minnich
,
M. S.
Dresselhaus
,
Z. F.
Ren
, and
G.
Chen
,
Energy Environ. Sci.
2
,
466
479
(
2009
).
5.
D.
Narducci
,
J. Phys. Energy
1
,
024001
(
2019
).
6.
Z.
Liu
,
N.
Sato
,
W.
Gao
,
K.
Yubuta
,
N.
Kawamoto
,
M.
Mitome
,
K.
Kurashima
,
Y.
Owada
,
K.
Nagase
,
C.-H.
Lee
,
J.
Yi
,
K.
Tsuchiya
, and
T.
Mori
,
Joule
5
,
1196
1208
(
2021
).
7.
T.
Taniguchi
,
T.
Ishibe
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
M. M.
Alam
,
K.
Sawano
, and
Y.
Nakamura
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
25428
25434
(
2020
).
8.
S.
Sakane
,
T.
Ishibe
,
K.
Mizuta
,
T.
Fujita
,
Y.
Kiyofuji
,
J.
Ohe
,
E.
Kobayashi
, and
Y.
Nakamura
,
J. Mater. Chem. A
9
,
4851
4857
(
2021
).
9.
C.
Zhou
,
Y. K.
Lee
,
Y.
Yu
,
S.
Byunn
,
Z.-Z.
Luo
,
H.
Lee
,
B.
Ge
,
Y.-L.
Lee
,
X.
Chen
,
J. Y.
Lee
,
O. C.
Miredin
,
H.
Chang
,
J.
Im
,
S.-P.
Cho
,
M.
Wuttig
,
V. P.
Dravid
,
M. G.
Kanatzidis
, and
I.
Chung
,
Nat. Mater.
20
,
1378
1384
(
2021
).
10.
N.
Neophytou
,
X.
Zianni
,
H.
Kosina
,
S.
Frabboni
,
B.
Lorenzi
, and
D.
Narducci
,
Nanotechnology
24
,
205402
(
2013
).
11.
J.
Zhang
,
R.
Liu
,
N.
Cheng
,
Y.
Zhang
,
J.
Yang
,
C.
Uher
,
X.
Shi
,
L.
Chen
, and
W.
Zhang
,
Adv. Mater.
26
,
3848
3853
(
2014
).
12.
L.
Wu
,
J.
Yang
,
S.
Wang
,
P.
Wei
,
J.
Yang
,
W.
Zhang
, and
L.
Chen
,
Phys. Rev. B
90
,
195210
(
2014
).
13.
S.
Yamasaka
,
Y.
Nakamura
,
T.
Ueda
,
S.
Takeuchi
, and
A.
Sakai
,
Sci. Rep.
5
,
14490
(
2015
).
14.
Y.
Nakamura
,
Sci. Tech. Adv. Mater.
19
,
31
43
(
2018
).
15.
H.
Ohta
,
S. W.
Kim
,
S.
Kaneki
,
A.
Yamamoto
, and
T.
Hashizume
,
Adv. Sci.
5
,
1700696
(
2018
).
16.
Y.
Ichinose
,
A.
Yoshida
,
K.
Horiuchi
,
K.
Fukuhara
,
N.
Komatsu
,
W.
Gao
,
Y.
Yomigida
,
M.
Matsubara
,
T.
Yamamoto
,
J.
Kono
, and
K.
Yanagi
,
Nano Lett.
19
,
7370
7376
(
2019
).
17.
T.
Katase
,
X.
He
,
T.
Tadano
,
J. M.
Tomczak
,
T.
Onozato
,
K.
Ide
,
B.
Feng
,
T.
Tohei
,
H.
Hiramatsu
,
H.
Ohta
,
Y.
Ikuhara
,
H.
Hosono
, and
T.
Kamiya
,
Adv. Sci.
8
,
2102097
(
2021
).
18.
T.
Terada
,
Y.
Uematsu
,
T.
Ishibe
,
N.
Naruse
,
K.
Sato
,
T. Q.
Nguyen
,
E.
Kobayashi
,
H.
Nakano
, and
Y.
Nakamura
,
Adv. Mater. Interfaces
9
,
2101752
(
2022
).
19.
D.-Y.
Chung
,
T.
Hogan
,
P.
Brazis
,
M. R.
Lane
,
C.
Kannewurf
,
M.
Bastea
,
C.
Uher
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Science
287
,
1024
1027
(
2000
).
20.
X.
Yan
,
B.
Poudel
,
Y.
Ma
,
W. S.
Liu
,
G.
Joshi
,
H.
Wang
,
Y.
Lan
,
D.
Wang
,
G.
Chen
, and
Z. F.
Ren
,
Nano Lett.
10
,
3373
3378
(
2010
).
21.
Y.
Pei
,
X.
Shi
,
A.
LaLonde
,
H.
Wang
,
L.
Chen
, and
G. J.
Snyder
,
Nature
473
,
66
69
(
2011
).
22.
R.
Venkatasubramanlan
,
E.
Silvola
,
T.
Colpitts
, and
B.
O'Quinn
,
Nature
413
,
597
602
(
2001
).
23.
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
,
M. Y.
Tang
,
R.
Yang
,
H.
Lee
,
D.
Wang
,
Z. F.
Ren
,
J. P.
Fleurial
, and
P.
Gogna
,
Adv. Mater.
19
,
1043
1053
(
2007
).
24.
B.
Yu
,
M.
Zebarjadi
,
H.
Wang
,
K.
Lukas
,
H.
Wang
,
D.
Wang
,
C.
Opeil
,
M.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Nano Lett.
12
,
2077
2082
(
2012
).
25.
Y.
Nakamura
,
M.
Isogawa
,
T.
Ueda
,
S.
Yamasaka
,
H.
Matsui
,
J.
Kikkawa
,
S.
Ikeuchi
,
T.
Oyake
,
T.
Hori
,
J.
Shiomi
, and
A.
Sakai
,
Nano Energy
12
,
845
851
(
2015
).
26.
M.
Nomura
,
Y.
Kage
,
D.
Muller
,
D.
Moser
, and
O.
Paul
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
223106
(
2015
).
27.
S.
Yamasaka
,
K.
Watanabe
,
S.
Sakane
,
S.
Takeuchi
,
A.
Sakai
,
K.
Sawano
, and
Y.
Nakamura
,
Sci. Rep.
6
,
22838
(
2016
).
28.
D. K.
Seo
,
S.
Shin
,
H. H.
Cho
,
B. H.
Kong
,
D. M.
Whang
, and
H. K.
Cho
,
Acta Mater.
59
,
6743
6750
(
2011
).
29.
S. H.
Lee
,
H.
Park
,
S.
Kim
,
W.
Son
,
I. W.
Cheong
, and
J. H.
Kim
,
J. Mater. Chem. A
2
,
7288
7294
(
2014
).
30.
J.
Loureiro
,
N.
Neves
,
R.
Barros
,
T.
Mateus
,
R.
Santos
,
S.
Filonovich
,
S.
Reparaz
,
C. M. S.
Torres
,
F.
Wyczisk
,
L.
Divay
,
R.
Martins
, and
I.
Ferreira
,
J. Mater. Chem. A
2
,
6649
6655
(
2014
).
31.
C.
Yang
,
D.
Souchay
,
M.
Kneib
,
M.
Bogner
,
H. M.
Wei
,
M.
Lorenz
,
O.
Oeckler
,
G.
Benstetter
,
Y. Q.
Fu
, and
M.
Grundmann
,
Nat. Commun.
8
,
16076
(
2017
).
32.
X.
Zhao
,
W.
Han
,
C.
Zhao
,
S.
Wang
,
F.
Kong
,
X.
Ji
,
Z.
Li
, and
X.
Shen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
10301
10309
(
2019
).
33.
T.
Ishibe
,
A.
Tomeda
,
Y.
Komatsubara
,
R.
Kitaura
,
M.
Uenuma
,
Y.
Uraoka
,
Y.
Yamashita
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
151601
(
2021
).
34.
T.
Ishibe
,
A.
Tomeda
,
K.
Watanabe
,
Y.
Kamakura
,
N.
Mori
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
Y.
Yamashita
, and
Y.
Nakamura
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
37709
37716
(
2018
).
35.
B.
Bissig
,
T.
Jäger
,
L.
Ding
,
A. N.
Tiwari
, and
Y. E.
Romanyuk
,
APL Mater.
3
,
062802
(
2015
).
36.
K.
Mitarai
,
R.
Okuhata
,
J.
Chikada
,
T.
Kaneko
,
Y.
Uematsu
,
Y.
Komatsubara
,
T.
Ishibe
, and
Y.
Nakamura
,
J. Appl. Phys.
128
,
015102
(
2020
).
37.
T.
Taniguchi
,
T.
Terada
,
Y.
Komatsubara
,
T.
Ishibe
,
K.
Konoike
,
A.
Sanada
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
, and
Y.
Nakamura
,
Nanoscale
13
,
4971
4977
(
2021
).
38.
T.
Ishibe
,
R.
Okuhata
,
T.
Kaneko
,
M.
Yoshiya
,
S.
Nakashima
,
A.
Ishida
, and
Y.
Nakamura
,
Commun. Phys.
4
,
153
(
2021
).
39.
T.
Ishibe
,
T.
Kaneko
,
Y.
Uematsu
,
H. S.
Akaba
,
M.
Komura
,
T.
Iyoda
, and
Y.
Nakamura
,
Nano Lett.
22
,
6105
6111
(
2022
).
40.
Y.
Yamashita
,
K.
Honda
,
T.
Yagi
,
J.
Jia
,
N.
Taketoshi
, and
Y.
Shigesato
,
J. Appl. Phys.
125
,
035101
(
2019
).
41.
H.
Nishinaka
and
M.
Yoshimoto
,
Cryst. Growth Des.
18
,
4022
4028
(
2018
).
42.
P.
Turkes
,
C.
Pluntke
, and
R.
Helbig
,
J. Phys. C.
13
,
4941
4951
(
1980
).
43.
S. K.
Bux
,
R. G.
Blair
,
P. K.
Gogna
,
H.
Lee
,
G.
Chen
,
M. S.
Dresselhaus
,
R. B.
Kaner
, and
J.-P.
Fleurial
,
Adv. Funct. Mater.
19
,
2445
2452
(
2009
).
44.
S.
Bhattacharya
,
A.
Bohra
,
R.
Basu
,
R.
Bhatt
,
S.
Ahmad
,
K. N.
Meshram
,
A. K.
Debnath
,
A.
Singh
,
S. K.
Sarkar
,
M.
Navneethan
,
Y.
Hayakawa
,
D. K.
Aswal
, and
S. K.
Gupta
,
J. Mater. Chem. A
2
,
17122
(
2014
).
45.
L. D.
Zhao
,
J.
He
,
S.
Hao
,
C.-I.
Wu
,
T. P.
Hogan
,
C.
Wolverton
,
V. P.
Dravid
, and
M. G.
Kanatzidis
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
16327
16336
(
2012
).
You do not currently have access to this content.