Nanostrukturerende teknologi til samtidig styring af varme og elektricitet

Forbedringen af ​​termoelektriske materialer, der direkte kan omdanne spildvarme til elektrisk energi, kan føre til en af ​​løsningerne på energiproblemer. For høj ydeevne i termoelektriske materialer, det er nødvendigt for nemt at lede elektricitet og samtidig gøre det svært for varme at passere igennem. Nemlig høj elektrisk ledningsevne og lav varmeledningsevne er nødvendig. Imidlertid, det har været meget svært længe, ​​fordi begge ledningsevner er korrelerede. Nu, nanostrukturering forventedes for uafhængig kontrol af begge ledninger, men dens metode ved nanostrukturering var stadig uklar.

Yoshiaki Nakamura, Professor ved Osaka University foreslog en unik nanostruktur (fig. 1) og etablerede en metode til udvikling af et materiale, hvor varme- og elektricitetsledninger kan styres samtidigt.

Hans forskergruppe skabte en nanostruktur, hvor ultrasmå germanium (Ge) nanodotter blev dannet med identiske krystalorienteringer i silicium (Si). I denne struktur, elektrisk strøm flyder i Si og termisk ledning blev forhindret af Ge nanodots, derfor, høj elektrisk ledningsevne og lav varmeledningsevne blev realiseret samtidigt. Ved at gøre formen og dimensionen af ​​Ge nanodots kontrolfaktorer, det er blevet muligt at styre varmeledningsevnen efter ønske. Ved at bruge denne teknik, denne gruppe lykkedes med at øge Si/Ge-grænsefladens termiske modstand med 2 til 3 gange i forhold til konventionelle tal, opnår den største Si/Ge-grænseflade termiske modstand i verden.

Resultaterne af denne forskning viser, at ved at introducere epitaksialt dyrkede ultrasmå Ge nanodots i materialer med høj elektrisk ledningsevne, ledning af varme og elektricitet kan med succes styres samtidigt. Ud over, fordi disse resultater ikke er begrænset til Si, man kan forudse, at denne forskning vil blive anvendt i udviklingen af ​​termoelektriske materialer, der også anvender andre materialer, som er i høj efterspørgsel efter spildvarmeudnyttelse på fabrikker og biler.

I vores nuværende informationssamfund, spildvarmen afgivet af LSI (Large scale Integrerede kredsløb) i vores pc'er og servere er vokset massiv gennem årene, og udviklingen af ​​Si-baserede termoelektriske materialer, der er kompatible med LSI, er blevet nødvendig for at udnytte denne spildvarme som termoelektrisk energi. Denne forskning har vist en mulig forbedring af effektiviteten af ​​denne konvertering af spildvarme til elektricitet ved at introducere nanostrukturer til Si, et potentielt gennembrud i realiseringen af ​​Si-baserede termoelektriske materialer til brug i LSI spildvarmekonvertering.