Caltech -forskere designer et nyt nanomesh -materiale

(PhysOrg.com) - Computere, pærer, og selv mennesker genererer varme - energi, der ender med at blive spildt. Med en termoelektrisk enhed, som omdanner varme til elektricitet og omvendt, du kan udnytte den ellers spildte energi. Termoelektriske enheder er udråbt til brug i nye og effektive køleskabe, og andre køle- eller varmemaskiner. Men nutidens design er ikke effektivt nok til udbredt kommerciel brug eller er fremstillet af sjældne materialer, der er dyre og miljøskadelige.

Forskere ved California Institute of Technology (Caltech) har udviklet en ny type materiale - fremstillet af silicium, det næstmest forekommende element i jordskorpen - det kunne føre til mere effektive termoelektriske enheder. Materialet-en type nanomesh-består af en tynd film med et gitterlignende arrangement af små huller. Dette unikke design gør det svært for varme at rejse gennem materialet, sænke dets varmeledningsevne til nær siliciums teoretiske grænse. På samme tid, designet tillader elektricitet at strømme så godt, som det gør i umodificeret silicium.

"Med hensyn til styring af varmeledningsevne, det er ret sofistikerede enheder, "siger James Heath, Elizabeth W. Gilloon -professor og professor i kemi ved Caltech, der ledede arbejdet. Et papir om forskningen vil blive offentliggjort i oktobernummeret af tidsskriftet Naturnanoteknologi .

En vigtig strategi for at gøre termoelektriske materialer energieffektive er at sænke varmeledningsevnen uden at påvirke den elektriske ledningsevne, hvilket er, hvor godt elektricitet kan rejse gennem stoffet. Heath og hans kolleger havde tidligere opnået dette ved hjælp af silicium -nanotråde - tråde af silicium, der er 10 til 100 gange smallere end dem, der i øjeblikket bruges i computermikrochips. Nanotråde virker ved at hæmme varme, samtidig med at elektroner kan flyde frit.

I ethvert materiale, varme bevæger sig via fononer - kvantiserede vibrationspakker, der ligner fotoner, som selv er kvantiserede pakker med lysbølger. Når fononer lynrer langs materialet, de leverer varme fra et punkt til et andet. Nanotråde, på grund af deres små størrelser, har meget overfladeareal i forhold til deres volumen. Og da fononer spreder overflader og grænseflader, det er sværere for dem at komme igennem en nanotråd uden at hoppe vild. Som resultat, en nanotråd modstår varmestrømmen, men forbliver elektrisk ledende.

Men at skabe smallere og smallere nanotråde er kun effektiv op til et punkt. Hvis nanotråden er for lille, det vil have så meget relativ overfladeareal, at selv elektroner spredes, får den elektriske ledningsevne til at styrte sammen og negere de termoelektriske fordele ved fononspredning.

For at komme uden om dette problem, Caltech-teamet byggede et nanomesh-materiale af et 22-nanometer-tykt ark silicium. (Ét nanometer er en milliarddel af en meter.) Siliciumarket omdannes til et net-svarende til en lille vinduesskærm-med et meget regelmæssigt udvalg af 11- eller 16-nanometer brede huller, der er kun 34 nanometer fra hinanden.

I stedet for at sprede de fononer, der rejser gennem det, nanomesh ændrer den måde, disse fononer opfører sig på, i det væsentlige bremse dem. Egenskaberne for et bestemt materiale bestemmer, hvor hurtigt fononer kan gå, og det viser sig, at - i hvert fald i silicium - maskestrukturen sænker denne hastighedsgrænse. Hvad fononerne angår, nanomesh er slet ikke længere silicium. "Nanomesh opfører sig ikke længere på måder, der er typiske for silicium, "siger Slobodan Mitrovic, en postdoktor i kemi ved Caltech. Mitrovic og Caltech kandidatstuderende Jen-Kan Yu er de første forfattere på Naturnanoteknologi papir.

Da forskerne sammenlignede nanomesh med nanotråde, de fandt ud af, at-trods et meget højere forhold mellem overfladeareal og volumen-var nanotrådene stadig dobbelt så varmeledende som nanomeshen. Forskerne antyder, at faldet i varmeledningsevne, der ses i nanomesh, faktisk er forårsaget af bremsning af fononer, og ikke ved at fononer spredes ud af maskenes overflade. Holdet sammenlignede også nanomeshen med en tynd film og med et gitterlignende ark af silicium med funktioner, der er omtrent 100 gange større end nanomeshen; både filmen og nettet havde varmeledningsevne cirka 10 gange højere end nanomesh.

Selvom nanomeshs elektriske ledningsevne forblev sammenlignelig med almindelig, bulk silicium, dens varmeledningsevne blev reduceret til nær den teoretiske nedre grænse for silicium. Og forskerne siger, at de kan sænke det endnu mere. "Nu hvor vi har vist, at vi kan bremse fononerne, "Heath siger, "hvem vil sige, at vi ikke kan bremse dem meget mere?"

Forskerne eksperimenterer nu med forskellige materialer og arrangementer af huller for at optimere deres design. "En dag, vi kan muligvis konstruere et materiale, hvor du ikke kun kan bremse fononerne, men du kan helt udelukke de fononer, der transporterer varme, "Siger Mitrovic." Det ville være det endelige mål. "