Lille silicium nanotrådsgenerator udnytter energi fra varme produceret i elektroniske kredsløb

Elektroniske enheder udvikler ofte "hot spots", der kan blive skadelige for ydeevnen. Meget forskning har fokuseret på at udvikle metoder til at køle systemet, eller, endnu bedre, konverter overskydende varme til elektricitet ved at udnytte den termoelektriske effekt - hvor en termisk gradient inducerer bevægelse af ladningsbærere. Imidlertid, tidligere forsøg på at bygge generatorer på chipniveau er mislykkedes, fordi de indbyggede materialer ikke var kompatible med den teknologi, der blev brugt til at konstruere integrerede kredsløb, såsom komplementære metaloxid-halvledere (CMOS).

Navab Singh og kolleger ved A*STAR Institute of Microelectronics og National University of Singapore1 har nu skabt en nanoskala termoelektrisk generator (TEG) ved hjælp af silicium nanowire arrays. Silicium, som er kompatibel med basismaterialerne i CMOS, tidligere var blevet nedsat på grund af dens dårlige ydeevne som generator i bulkform, men det har vist sig langt mere effektivt på nanoskalaen.

"Silicon nanotråde har meget bedre termoelektriske egenskaber end modermaterialet, fordi de har meget lavere varmeledningsevne, ” forklarer Singh. "Også Der findes allerede avanceret udstyr til behandling af silicium. Derfor, hvis termoelektriske kølere og energihøstere kan fremstilles ved hjælp af silicium nanotråde, de kan være billige, skalerbar, højtydende enheder."

Forskerne konstruerede deres TEG ved at forbinde to forskellige metalplader ved hjælp af lodrette ben lavet af skiftende bundter af n-type silicium nanotråde, hvor overskydende elektroner bærer ladningen, og p-type nanotråde, hvor ladningsbærerne er 'huller' forårsaget af manglende elektroner (se billede). Ifølge Singh, den største udfordring var at forbinde nanotrådene til metalpladerne for at tillade en lav resistivitetskontakt og give den optimale termoelektriske ydeevne. For at gøre det, de tilpassede etablerede teknikker fra CMOS-fabrikation. "Men høj kontaktmodstand på ledningstoppene er fortsat et problem, og vores design har brug for yderligere forbedringer, ” siger Singh.

Som en elektrisk generator, en TEG kunne bruges til at "selvforsyne" en del af et elektronisk kredsløb. "Yderligere, de kan bruges til at generere strøm og supplere batterier i de fleste systemer med høj varmeflux som biler, halvlederlasere og fotodetektorer, ” foreslår Singh. De kunne også give en effektiv, lavpris kølesystem til fjernelse af hot spots.

Singh mener, at TEG'er i nanoskala også kan bruges i lægevidenskaben til at forsyne implantater i den menneskelige krop:"En termoelektrisk strømgenerator med nanotråd passer perfekt til regningen. De kan skaleres til passende størrelse, og da de mangler bevægelige dele, de er pålidelige og kan strække sig over patientens levetid. Energi kunne så udvindes ved hjælp af temperaturgradienten mellem kroppen og miljøet."