Forskning kunne bringe nye enheder, der styrer varmestrømmen

(Phys.org) – Forskere foreslår en ny teknologi, der kan kontrollere varmestrømmen, som elektroniske enheder styrer elektrisk strøm, et fremskridt, der kunne have anvendelser inden for en bred vifte af områder fra elektronik til tekstiler.

Konceptet bruger bittesmå trekantede strukturer til at styre "fononer, "kvantemekaniske fænomener, der beskriver, hvordan vibrationer bevæger sig gennem et materiales krystalstruktur.

Fund i forskning ved hjælp af avancerede simuleringer viser, at de trekantede eller T-formede strukturer - hvis de er små nok i bredden - er i stand til "termisk ensretning, "eller tillade en større varmestrøm i én retning end i den modsatte retning, sagde Xiulin Ruan, en lektor ved Purdue University's School of Mechanical Engineering og Birck Nanotechnology Center.

Ensretning har muliggjort transistorer, dioder og hukommelseskredsløb, der er centrale for halvlederindustrien. De nye enheder er termiske ensrettere, der muligvis udfører den samme funktion, men med fononer i stedet for elektrisk strøm.

"I de fleste systemer, varmestrømmen er ens i begge retninger, så der er ingen termiske enheder som elektriske dioder. Imidlertid, hvis vi er i stand til at styre varmestrømmen, som vi styrer elektricitet ved hjælp af dioder, så kan vi aktivere en masse nye og spændende termiske enheder, herunder termiske kontakter, termiske transistorer, logiske porte og hukommelse, " sagde Ruan, hvis forskningsgruppe samarbejdede med en gruppe ledet af Yong Chen, en lektor i Purdues Institut for Fysik og School of Electrical and Computer Engineering. "Folk er lige begyndt at forstå, hvordan det virker, og det er ret langt fra at blive brugt i applikationer."

Resultaterne er detaljeret i et forskningspapir, der er blevet vist online i tidsskriftet Nano bogstaver og vil blive offentliggjort i et kommende nummer af tidsskriftet. Artiklen er forfattet af ph.d.-studerende Yan Wang, Ajit Vallabhaneni og Jiuning Hu og tidligere doktorand Bo Qiu; Chen; og Ruan.

Forskerne brugte en avanceret simuleringsmetode kaldet molekylær dynamik til at demonstrere termisk ensretning i strukturer kaldet "asymmetriske grafen nanobånd." Molekylær dynamik simuleringer kan simulere atomers vibrationer og forudsige varmestrømmen i et materiale.

grafen, et ekstremt tyndt lag kulstof, er lovende for anvendelser inden for elektronik og computere. Den trekantede struktur skal være lille i bredden for at muliggøre den "laterale indeslutning" af fononer, der er nødvendige for effekten. Fund viser også, at termisk rektifikation ikke er begrænset til grafen, men kan ses i andre materialer i strukturer såsom pyramideformet, trapezformede eller T-formede designs.

Hu, Ruan, og Chen udgav også et papir for fire år siden i tidsskriftet Nano bogstaver , blandt de første til at foreslå asymmetriske grafen nanobånd som en termisk ensretter i forskning ved hjælp af simuleringer af molekylær dynamik. Selvom adskillige undersøgelser er blevet afsat til dette emne siden da, indtil nu kendte forskerne ikke mekanismen bag termisk ensretning. De nye resultater viser, at denne mekanisme virker ved at begrænse vibrationer, når de bevæger sig gennem den lille laterale retning af en asymmetrisk struktur.

"Vi demonstrerer, at andre asymmetriske materialer, såsom asymmetriske nanotråde, tynde film, og kvanteprikker af et enkelt materiale kan også være højtydende termiske ensrettere, så længe du er indespærret på siden, " sagde Ruan. "Dette udvider virkelig potentialet for denne berigtigelse til et meget bredere spektrum af applikationer."

Termisk ensretning ses ikke i større trekantede strukturer, fordi de mangler sideværts indeslutning. For at der kan frembringes lateral indeslutning, tværsnittet af strukturen skal være meget mindre end den "gennemsnitlige frie vej" af en fonon, eller kun nogle få til hundredvis af nanometer afhængigt af materialet, sagde Wang.

"Dette er den gennemsnitlige afstand en fonon kan tilbagelægge, før den kolliderer med en anden fonon, " han sagde.

Imidlertid, selvom enhederne skal være små, de kunne forbindes i serier for at producere større strukturer og bedre ensretningsydelse.

Konceptet kan finde anvendelse i "termisk styring" applikationer til computere og elektronik, bygninger og endda tøj.

"For eksempel, på en vinternat ønsker du ikke, at en bygning hurtigt taber varme til det fri, mens du i løbet af dagen ønsker, at bygningen skal varmes op af solen, så det ville være godt at have byggematerialer, der tillader varmestrømmen i én retning, men ikke den anden, " sagde Ruan.

Et potentiale, selvom det er spekulativt, fremtidig anvendelse kunne være termiske transistorer. I modsætning til konventionelle transistorer, termiske transistorer ville ikke kræve brug af silicium, er baseret på fononer frem for elektroner og kan gøre brug af den store mængde spildvarme, der allerede genereres i det meste af praktisk elektronik, sagde Chen.