Styring af varmestrømmen gennem en nanostruktur

MIT forskere finder ud af, at varme, der bevæger sig i materialer kaldet supergitter, opfører sig som bølger; fund kunne muliggøre bedre termoelektrik.

Termoelektriske enheder, som kan udnytte temperaturforskelle til at producere elektricitet, kan blive gjort mere effektive takket være ny forskning i varmeudbredelse gennem strukturer kaldet supergitter. De nye resultater viser, uventet, at varme kan bevæge sig som bølger, i stedet for partikler, gennem disse nanostrukturer:materialer, der består af lag, der kun er få milliardtedele af en meter i tykkelse.

Varme - vibrationen af ​​atomer og molekyler i et materiale - bevæger sig normalt i en "tilfældig gang, " hvilket er svært at kontrollere. De nye observationer viser et meget andet mønster, kaldet kohærent flow, hvilket er mere som krusninger, der bevæger sig hen over en dam på en velordnet måde.

Dette åbner mulighed for nye materialer, hvor varmestrømmen kan skræddersyes præcist - materialer, der kunne have vigtige anvendelser. For eksempel, sådan forskning kan føre til nye måder at fjerne den varme, der genereres af elektroniske enheder og halvlederlasere, hvilket hæmmer ydeevnen og endda kan ødelægge enhederne.

Det nye værk, af kandidatstuderende Maria Luckyanova, postdoc Jivtesh Garg og professor Gang Chen, hele MIT's Department of Mechanical Engineering - sammen med andre studerende og professorer ved MIT, Boston University, California Institute of Technology og Boston College - er rapporteret i denne uge i tidsskriftet Videnskab .

Undersøgelsen involverer et nanostruktureret materiale kaldet et supergitter:i dette tilfælde, en stak af skiftevis tynde lag af galliumarsenid og aluminiumarsenid, hver aflejret på skift gennem en proces kaldet metal-organisk kemisk dampaflejring. Kemikalier, der indeholder disse grundstoffer, fordampes i et vakuum, og derefter aflejret på en overflade, deres tykkelse kontrolleres præcist gennem varigheden af ​​aflejringsprocessen. De resulterende lag var kun 12 nanometer tykke - omkring tykkelsen af ​​et DNA-molekyle - og hele strukturerne varierede i tykkelse fra 24 til 216 nanometer.

Forskere havde tidligere troet, at selvom sådanne lag kunne være atomisk perfekte, der ville stadig være tilstrækkelig ruhed ved grænsefladerne mellem lagene til at sprede varmetransporterende kvasipartikler, kaldet fononer, da de bevægede sig gennem supergitteret. I et materiale med mange lag, sådanne spredningseffekter ville akkumulere, man troede, og "ødelægge bølgeeffekten" af fononerne, siger Chen, Carl Richard Soderberg professor i kraftteknik. Men denne antagelse var aldrig blevet bevist, så han og hans kolleger besluttede at genoverveje processen, han siger.

Ja, eksperimenter af Luckyanova og computersimuleringer af Garg viste, at mens en sådan faserandomiserende spredning finder sted blandt højfrekvente fononer, bølgeeffekter blev bevaret blandt lavfrekvente fononer. Chen siger, at han var meget overrasket, da Luckyanova kom tilbage med de første eksperimentelle data for at vise, "at der virkelig sker en sammenhængende varmeledning."

At forstå de faktorer, der styrer denne sammenhæng, kunne på tur, føre til bedre måder at bryde denne sammenhæng på og reducere varmeledningen, siger Chen. Dette ville være ønskeligt i termoelektriske enheder til at udnytte ubrugt varmeenergi i alt fra kraftværker til elektronik. Sådanne applikationer kræver materialer, der leder elektricitet meget godt, men leder varme meget dårligt.

Arbejdet kunne også forbedre varmeafgivelsen, såsom til afkøling af computerchips. Evnen til at fokusere og styre varmestrømmen kunne føre til bedre termisk styring for sådanne enheder. Chen siger, at forskere endnu ikke ved, hvordan man udøver så præcis kontrol, men den nye forståelse kunne hjælpe. At forstå denne bølgebaserede mekanisme "giver dig flere måder at manipulere transporten" af varme på, han siger.

De to materialer brugt i dette eksperiment har meget ens egenskaber, Luckyanova siger, og leder elektricitet meget godt. Men ved at kontrollere tykkelsen og afstanden mellem lagene, hun siger, "Vi tror på, at vi kan manipulere den termiske transport, "frembringer den slags isolerende effekt, der er nødvendig for termoelektriske enheder.

Rollen af ​​grænseflader mellem lagene i et materiale "er noget, der ikke rigtig blev forstået, " siger Garg. Tidligere simuleringer havde undladt at inkludere virkningerne af variation i overfladetekstur på processen, han siger, men "jeg indså, at der var en måde at simulere ruhedens rolle" på den måde, hvorpå fononer bevægede sig gennem stablen af ​​lag.

Det nye værk giver ikke kun mulighed for at kontrollere varmestrømmen (for det meste båret af fononer med korte bølgelængder), men også for at kontrollere bevægelsen af ​​lydbølger (primært båret af fononer med længere bølgelængde). "Det er virkelig en slags grundlæggende forståelse, " siger Chen.

Den indsigt, der gjorde arbejdet muligt, opstod i høj grad gennem interaktioner mellem forskere inden for forskellige discipliner, faciliteret gennem Solid State Solar-Thermal Energy Conversion Center, et Energy Frontier Center finansieret af det amerikanske energiministerium, som afholder regelmæssige tværfaglige møder på MIT. "De møder gav lange, frugtbare diskussioner, der virkelig styrkede avisen, " siger Luckyanova. De mange forskellige mennesker i gruppen "opmuntrede os virkelig til at angribe dette problem fra alle sider."