Ultratynd belægning genererer strøm mere effektivt fra nanotråd

Elektrisk energi kan genereres fra en temperaturforskel i et kredsløb med egnede materialer. I simuleringer, ETH Zürich-forskere viser, hvilke materialer der har størst sandsynlighed for at lykkes i en termoelektrisk proces.

Nanotrådene ligner lange pommes frites:aflange rektangulære kuboider mere end 300 silicium-enhedsceller lange og med et tværsnit 9 enhedsceller brede og 9 høje. Trådene er små, kun 160 nanometer lang og omkring fem nanometer i ækvivalent diameter - 10, 000 gange tyndere end et hår. Nanotrådene er belagt med et atomart tyndt lag germanium, tykkelsen af ​​laget er kun en til to enhedsceller af halvledermaterialet.

En silicium-germanium nanotråd med denne konstruktion er – eller rettere ville være – en værdig kandidat til brug i termoelektricitet. Det eneste problem er, at indtil nu, den lille halvlederledning i denne form findes kun i Ming Hu's computer, en post-doc videnskabsmand i gruppen af ​​Dimos Poulikakos, Professor i termodynamik ved Institute of Energy Technology. Professor K. Giapis fra California Institute of Technology, USA, som tilbragte sin sabbatår med Poulikakos-gruppen ved ETH Zürich, samarbejdede også om at udføre den forskning, der førte til udviklingen af ​​denne tråd.

Mere effektive nanotråde

Termoelektricitet udnytter det faktum, at temperatur og elektricitet under visse forhold kan være indbyrdes konverterbare. På grund af den såkaldte Seebeck-effekt, en lille elektrisk spænding opstår i et kredsløb, når der er en temperaturforskel mellem kontaktpunkterne på to forskellige slags elektriske ledere i kredsløbet. Imidlertid, ikke alle ledende eller halvledende materialer er egnede til termoelektricitet. For at udvise høje konverteringskoefficienter, der gør et materiale levedygtigt til realistiske anvendelser, skal materialets varmeledningsevne være så lille som muligt, hvorimod dens elektriske ledningsevne skal være stor. Dimos Poulikakos siger, "Sådanne materialer er praktisk talt ikke-eksisterende i naturen."

Derfor, målet med forskningsprojektet var at designe et passende materiale, der havde disse egenskaber. Silicium forlader naturen og kunne være særligt velegnet i denne henseende. Selvom den termiske ledningsevne af bulk silicium er høj, denne varmeledningsevne forringes, så snart halvlederen omdannes til en trådlignende nanostruktur. ETH Zürich-professoren advarer dog, at "selv rene siliciumnanotråde ikke er gode nok til effektiv energiomdannelse."

Germaniumlag reducerer varmeledningsevnen yderligere

Gennem computersimuleringer, Hu Ming har nu opdaget, hvordan problemet kan løses. Han viste, at silicium nanotråde leder varme endnu dårligere, hvis de er belagt med et atomart tyndt lag germanium, en anden halvleder. Den termiske ledningsevne falder med 75 procent sammenlignet med rene silicium nanotråde, og gør det ved stuetemperatur. På den anden side, da Hu tilføjede flere lag germanium i sin model, varmeledningsevnen steg igen.

Forskerne viste, at årsagen til den dramatiske reduktion i den termiske ledningsevne af germanium-coatede siliciumnanotråde ligger i de ændrede vibrationstilstande af fononerne, der transporterer varme gennem krystalgitteret. Bølgelængderne af partiklerne blev forkortet og komprimeret ved grænsefladelaget mellem silicium og germanium, hvilket blokerede varmetransporten i meget høj grad.

Derfor, forskerne konkluderer, at tynde silicium -nanotråde skal være belagt med et eller to lag germanium for at muliggøre et betydeligt skridt i retning af at opnå levedygtige termoelektriske processer.

Fra computeren til laboratoriet

Si/Ge nanotrådene eksisterer stadig kun i Ming Hus computer. Imidlertid, planen er at fremstille dem snart i Poulikakos' laboratorium til rigtige eksperimenter. Termoelektriske metoder kan yde et vigtigt bidrag til alternativ energiproduktion i fremtiden. For eksempel, ETH Zürich -professoren kan forestille sig, at ved hjælp af passende installationer, de kan bruges til at udnytte spildvarmen fra maskiner eller bygninger til at generere elektricitet, som kan opbevares eller føres ind i nettet. Baseret på den nuværende viden, man kunne forestille sig enheder, der leverer elektricitet til individuelle huse eller bærbart udstyr. Termoelektriske moduler, f.eks. så stort som et køkkenbord, kunne også fungere som solpaneler til at generere elektrisk energi fra solenergi. Imidlertid, disse er indledende tankeeksperimenter i øjeblikket. Poulikakos advarer om, at "Sådanne praktiske anvendelser er stadig et temmelig langt stykke ud i fremtiden"