Jagten på effektivitet i termoelektriske nanotråde

Effektiviteten er stor i den lille verden af ​​termoelektriske nanotråde. Forskere ved Sandia National Laboratories siger, at bedre materialer og fremstillingsteknikker til nanotrådene kan give bilproducenter mulighed for at høste strøm fra varmen, der spildes af udstødningssystemer, eller føre til mere effektive enheder til at afkøle computerchips.

Sandia-forskere udgav et papir, "Brug af galvanostatisk elektroformning af Bi _1-x Sb _x Nanotråde til at kontrollere sammensætning, Krystallinitet og orientering, " i den 28. januar-udgave af Materials Research Society's MRS Bulletin. Forfatterne er W. Graham Yelton, Steven J. Limmer, Douglas L. Medlin, Michael P. Siegal, Michelle Hekmaty, Jessica L. Lensch-Falk, Kristopher Erickson og Jamin Pillars.

Arbejdet var første gang forskerne formåede at kontrollere krystalorientering, krystalstørrelse og legeringsensartethed ved en enkelt proces. Alle tre faktorer bidrager til bedre termoelektrisk ydeevne, sagde Yelton.

"De tre sammen betyder en kæmpe gevinst, og det er svært at gøre, " sagde han. "Det er at dreje på knapperne af processen for at få disse ting til at opføre sig."

Bedre nanotrådsgeometrier kan reducere varmeledningsevnen og forbedre det, der kaldes den termoelektriske værdi. et mål for et materiales elektriske og termiske ledningsevne. Jo højere elektrisk ledningsevne og jo lavere varmeledningsevne, jo højere merittal og, derfor, jo mere effektivt er materialet. Imidlertid, kvaliteten af ​​tidligere termoelektriske nanotråde viste sig at være utilstrækkelig.

Termoelektrisk nanotrådsbrug i sin vorden

På trods af deres ineffektivitet, nogle termoelektriske materialer er allerede i brug. Yelton sammenligner deres udviklingstrin med solcellernes tidlige dage:Alle så potentialet, men de var så ineffektive, at de kun blev brugt, når intet andet virkede.

Forbedret effektivitet i nanotråde ville øge brugen af ​​termoelektriske materialer. De bruges allerede i nogle sensorer, og bilfabrikanterne håber, at de kan høste varme fra udstødningssystemer til at drive køretøjssensorsystemer, sagde Yelton. At reducere den nødvendige kraft til at køre et køretøjs operativsystem kan reducere batteri- og generatorvægten og måske eliminere noget strømgenererende udstyr, trimning af køretøjets størrelse og vægt.

Sandias papir beskriver, hvordan holdet skabte termoelektriske nanotrådsarrays med ensartet sammensætning langs længden af ​​nanotråden og på tværs af spredningen af ​​nanotrådsarrayet, som potentielt kan omfatte hundreder af millioner af nanotråde. Ud over, de skabte nanotrådskrystaller af ensartet størrelse og orientering, eller retning. Ensartet sammensætning forbedrer effektiviteten, mens orientering er vigtig, så elektroner, bærere af energi, flyde bedre.

Holdet brugte en omkostningseffektiv metode kaldet stuetemperatur elektroformning, som er udbredt inden for kommerciel galvanisering. Elektroformning afsætter materialet med en konstant hastighed, hvilket igen tillader nanotråde at vokse med en jævn hastighed. Metoden gav ledninger på 70-75 nanometer i diameter og mange mikron lange.

Yelton brugte impulser af kontrolleret strøm til at afsætte det termoelektriske materiale, hvorved sammensætningen kontrolleres gennem hele ledningen og arrayet. "Der er små nuancer i den teknik, jeg gør for at tillade orienteringen, krystalvæksten og sammensætningen skal holdes inden for et ret snævert område, " han sagde.

Teknikken tillod kontrol over vigtige facetter af nanotråddannelse

Metoden gav en ret stor, let snoet krystallinsk trådstruktur, der næsten var en enkelt krystal og havde den ønskede orientering. "Uden det, du kunne ikke opnå gode effektiviteter, " sagde Yelton.

Materialets kemi er også vigtig. For Sandia-teamet, antimonsalte spiller en stor rolle i krystallinsk kvalitet og orientering. Bismuth-antimon (Bi-Sb) legeringer har nogle af de højeste termoelektriske ydeevner - fungerer både som en leder af elektricitet og en isolator mod varme - blandt mange materialer til applikationer nær stuetemperatur. Men eksisterende Bi-Sb-materialer producerer ikke effektiv faststofkøling, når der konstant leveres strøm til den enhed, der afkøles, såsom en computer.

Sandia-holdet ønskede en forbindelse, der opførte sig som et metal, men som ikke ville lede varme. Legering af antimon med vismut passer til regningen, sagde Yelton. Bi-Sb nanowire arrays elektroformede med en antimon-iodid-baseret kemi manglede de nødvendige kvaliteter, men arrays elektroformede fra en antimon-chlorid-baseret kemi producerede krystallografi og orientering for maksimal termoelektrisk ydeevne.

"Kemien gjorde det muligt for os at gå fra polynano-krystallinsk struktur til næsten enkeltkrystaller på 2-5 mikrometer, "giver bedre kontrol over ensartethed, sagde Yelton.

Næste trin:lav en elektrisk kontakt

Det næste trin er mere udfordrende:at skabe en elektrisk kontakt og studere den resulterende termoelektriske adfærd.

"Termoelektriske materialer danner let oxider eller intermetalliske materialer, fører til dårlige kontaktforbindelser eller højere elektrisk kontaktmodstand. Det reducerer gevinsterne ved at udvikle materialerne, " sagde Yelton.

Mens Sandia-teamet har været i stand til at få god kontakt i bunden af ​​en række, Det har vist sig svært at oprette forbindelse i toppen, han sagde.

"At oprette en kontakt og måle arrays ydeevne er ikke trivielt, " sagde Yelton.

Han og hans kolleger søger yderligere midler til at løse problemet med at skabe kontakter, og derefter at karakterisere de termiske elektriske egenskaber af arrays. "Hvis det lykkes i laboratorierne, vi ville prøve at finde en branchesamarbejdspartner til at modne ideen, " han sagde.