Udnyttelse af fænomenet Rashba spin-Seebeck-effekt vil gøre det muligt for kommercielle enheder at omdanne spildvarme til elektricitet

Mekaniske ingeniører ved University of California, Riverside, har rapporteret succes med at bruge billige materialer til at producere termoelektriske enheder, der omdanner spildvarme på lavt niveau til elektricitet.

Deres fremskridt kunne muliggøre en lang række kommercielle applikationer. For eksempel, integrering af termoelektriske generatorer i computerchips kan gøre det muligt for varmen at producere en strømkilde. Spildvarme fra bilmotorer kan køre bilens elektronik og give køling. Fotovoltaiske solceller kan gøres mere effektive ved at udnytte varmen fra sollys, der rammer dem for at generere mere elektricitet.

Også, ved hjælp af den samme grundteknologi, økonomiske termoelektriske køleskabe kunne produceres, der ville være mere energieffektive og med færre bevægelige dele end køleskabe, der bruger kompressorer og kølevæske. Nuværende termoelektriske køleskabe er dyre og relativt ineffektive. I det væsentlige, de fungerer omvendt af termoelektriske generatorer, med en elektrisk strøm påført for at generere en temperaturgradient, der kan bruges til køling.

Selvom termoelektriske generatorer har været meget pålidelige - for eksempel at drive rumsonder som Voyager -rumfartøjet i årtier - har deres anvendelse været begrænset af omkostningerne og kompleksiteten af ​​de materialer, de har brug for.

Imidlertid, forskere ledet af adjunkt i maskinteknik Sandeep Kumar, har rapporteret at opnå betydelig termoelektrisk energiomdannelse ved hjælp af en kombination af en nikkel-jernlegering og silicium. Det videnskabelige papir om deres resultater for nylig forekom online i tidsskriftet Physica Status Solidi- Rapid Research Letters. Medforfattere af papiret var kandidatstuderende Ravindra Bhardwaj og Paul Lou.

I deres eksperimenter, forskerne konstruerede en supertynd to-lags sandwich af nikkel-jern Permalloy og en form for silicium kaldet p-type silicium. Permalloy -laget var 25 nanometer tykt, og forskerne producerede enheder, hvor siliciumlaget havde en tykkelse på 100 nanometer, 25 nanometer og 5 nanometer. Til sammenligning, et menneskehår er omkring 200 mikrometer tykt.

Da forskerne påførte varme til Permalloy -laget, de var i stand til at producere en elektrisk spænding i sandwich, på grund af et nyligt opdaget fysisk fænomen kendt som spin-Seebeck-effekten. I denne effekt, en temperaturgradient genererer en spinstrøm fra det ferromagnetiske stof, producerer en elektrisk spænding i silicium. Den øgede spænding, der produceres i enheden, skyldtes en mekanisme kaldet "Rashba-spin-orbit-koblingen."

Forskerne opnåede en af ​​de største sådanne spændinger, der endnu er målt i enheden med det 5 nanometer tykke siliciumlag.

"Sådanne enheder vil være i stand til at generere elektricitet i enhver situation, hvor der er små gradienter i temperaturen, "sagde Kumar." For, eksempel, en computerchip varmer typisk op til omkring tres grader Celsius, mens den omgivende temperatur kan være femogtyve grader. Så, sådanne spin-termoelektriske generatorer integreret i computerchips kunne generere betydelige mængder elektricitet fra varme, der ellers ville gå til spilde. "

"Også, solcellepaneler bliver ret varme, så integrering af termoelektriske generatorer i sådanne paneler kunne generere yderligere elektricitet fra den spildvarme, "sagde han." Termoelektriske generatorer kan også integreres i biler, hvor motortemperaturer kan nå hundrede grader celsius, sammenlignet med en omgivelsestemperatur på femogtyve grader. I en sådan applikation kan den genererede elektricitet drive bilens elektronik og endda levere køling. "

De seneste eksperimenter udgør kun begyndelsen på udviklingen af ​​den nye termoelektriske teknologi, sagde Kumar, der tilføjede, at der er indsendt et foreløbigt patent på opdagelsen.

"Vi har kun lige ridset overfladen af ​​mulighederne, "sagde han." Vi tror på, at vi kan generere endnu mere energi fra den samme temperaturgradient ved at bruge flere lag, ligesom at sætte batterier sammen øger energiforbruget. Og, vi udforsker andre jordarter, billige materialer, der kan vise sig effektive i centrifugeringstermoelektriske enheder. "

Papirets titel er "Giant enhancement in Rashba spin-Seebeck effect in NiFe/p-Si thin films."