Fysikers undersøgelse viser, at silicium energihøstes

Et fysiker ved University of Texas i Dallas har arbejdet sammen med Texas Instruments Inc. for at designe en bedre måde for elektronik at omdanne spildvarme til genanvendelig energi.

Samarbejdsprojektet viste, at siliciums evne til at høste energi fra varme kan øges betydeligt, mens det stadig kan produceres i massevis.

Dr. Mark Lee, professor og leder af Institut for Fysik på Institut for Naturvidenskab og Matematik, er den tilsvarende forfatter til en undersøgelse, der blev offentliggjort 15. juli i Naturelektronik der beskriver resultaterne. Resultaterne kan i høj grad påvirke, hvordan kredsløb afkøles i elektronik, samt give en metode til at drive de sensorer, der bruges i det voksende "tingenes internet".

"Sensorer går overalt nu. De kan ikke konstant tilsluttes, så de må forbruge meget lidt strøm, "Sagde Lee." Uden en pålidelig lyskilde til fotovoltaisk energi, du har brug for en slags batteri - et, der ikke skal udskiftes. "

Termoelektrisk generation er en meget grøn energikilde, konvertere en temperaturforskel til elektrisk energi.

"I generel forstand, spildvarme er overalt:den varme din bilmotor genererer, for eksempel, "Sagde Lee." Den varme forsvinder normalt. Hvis du har en konstant temperaturforskel - selv en lille - kan du høste lidt varme til elektricitet for at køre din elektronik. "

Sensorer indlejret under et trafikkryds giver et eksempel på praktisk termoelektrisk strøm.

"Varmen fra dækkets friktion og fra sollys kan høstes, fordi materialet under vejen er koldere, "Sagde Lee." Så ingen behøver at grave det op for at skifte et batteri. "

De primære forhindringer for udbredt termoelektrisk høst har været effektivitet og omkostninger, han sagde.

"Termoelektrisk generation har været dyr, både hvad angår omkostninger pr. enhed og pris pr. watt genereret energi, "Sagde Lee." De bedste materialer er ret eksotiske - de er enten sjældne eller giftige - og de gøres ikke let kompatible med grundlæggende halvlederteknologi. "

Silicium, som så meget teknologi bygger på, er det næststørste element i jordskorpen. Det har været kendt siden 1950'erne at være et dårligt termoelektrisk materiale i sin masse, krystallinsk form. Men i 2008, ny forskning viste, at silicium klarede sig meget bedre som en nanotråd - en filamentlignende form med to af sine tre dimensioner mindre end 100 nanometer. Til sammenligning, et ark papir er omkring 100, 000 nanometer tyk.

"I årtiet siden disse forsøg, imidlertid, bestræbelser på at lave en nyttig silicium -termoelektrisk generator er ikke lykkedes, "Sagde Lee.

En barriere er, at nanotråden er for lille til at være kompatibel med chipfremstillingsprocesser. For at overvinde dette, Lee og hans team stolede på "nanoblades" - kun 80 nanometer tykke, men mere end otte gange det i bredden. Selvom det stadig er meget tyndere end et ark papir, det er kompatibelt med regler for chipfremstilling.

Undersøg medforfatter Hal Edwards, en TI -stipendiat hos Texas Instruments, designet og overvåget fremstilling af prototypenheder. Han henvendte sig til Lee og UT Dallas for yderligere at undersøge, hvad enhederne kunne gøre.

"Et dybt dyk for disse nye målinger, detaljerede analyser og litteratursammenligninger kræver en universitetsgruppe, "Sagde Edwards." Professor Lees analyse identificerede nøgletal, hvor vores billige siliciumteknologi konkurrerer positivt med mere eksotiske sammensatte halvledere. "

Lee forklarede, at nanobladeformen mister en vis termoelektrisk evne i forhold til nanotråden.

"Imidlertid, ved at bruge mange på én gang kan generere omtrent lige så meget strøm som de bedste eksotiske materialer, med samme areal og temperaturforskel, " han sagde.

Teamets kredsløbsdesignløsning kombinerede en forståelse af nanoskala fysik med tekniske principper. En vigtig erkendelse var, at nogle tidligere forsøg mislykkedes, fordi der blev brugt for meget materiale.

"Når du bruger for meget silicium, temperaturforskellen, der fodrer generationen, falder, "Sagde Lee." Der bruges for meget spildvarme, og, da den varme til kolde margin falder, du kan ikke generere så meget termoelektrisk effekt.

"Der er et sødt sted, at med vores nanoblades, vi er meget tættere på at finde end nogen anden. Ændringen i form af silicium undersøgt ændrede spillet, " han tilføjede.

Lee sagde, at den avancerede silicium-behandlingsteknologi hos Texas Instruments muliggør effektiv, billig fremstilling af et stort antal enheder.

"Du kan leve med en 40% reduktion i termoelektrisk evne i forhold til eksotiske materialer, fordi din pris pr. Watt genereret styrter ned, "sagde han." marginale omkostninger er en faktor på 100 lavere. "

Gangyi Hu Ph.D.'19, der afsluttede sin doktorgrad i fysik ved UT Dallas i maj, er undersøgelsens hovedforfatter. Han producerede computermodelleringen for at bestemme antallet af nanoblades pr. Arealenhed, der vil producere mest energi uden at reducere temperaturforskellen.

"Vi optimerede konfigurationen af ​​vores enheder til at placere dem blandt de mest effektive termoelektriske generatorer i verden, "Sagde Hu." Fordi det er silicium, det er stadig billigt, let at installere, Vedligeholdelsesfri, langtidsholdbart og potentielt bionedbrydeligt. "

Lee sagde, at arbejdet også var nyt, fordi de brugte en automatiseret industriel produktionslinje til at fremstille de silicium integrerede kredsløb termoelektriske generatorer.

"Vi ønsker at integrere denne teknologi med en mikroprocessor, med en sensor på samme chip, med en forstærker eller radio, og så videre. Vores arbejde blev udført i forbindelse med det fulde regelsæt, der styrer alt, hvad der går ind i masseproducerende chips, "Sagde Lee." Over på Texas Instruments, det er forskellen mellem en teknologi, de kan bruge, og en, de ikke kan. "

Edwards stod inde for de mange fordele ved at samarbejde med UT Dallas, herunder rekruttering.

"Jeg synes, at mine samarbejder med professor Lees gruppe er meget værdifulde, "Sagde Edwards." Jeg værdsætter også muligheden for at lære eleverne godt at kende, så jeg kan hjælpe dem med at finde roller inden for TI. En af mine nære TI -kolleger var professor Lee's ph.d. studerende under et af vores tidligere samarbejder. "