Termoelektrisk siliciummateriale når rekordlav varmeledningsevne

(Phys.org) - Forskere har teoretisk vist den laveste varmeoverførselshastighed, eller varmeledningsevne, i ethvert siliciumbaseret materiale, der er udviklet hidtil.

Det nye materiale, som er en polykrystallinsk silicium nanotråd, bryder to grænser:Casimir -grænsen og den amorfe grænse. Casimir -grænsen er en teori, der beskriver nanostrukturers varmeledningsevne, og brud på det betyder, at det nye materiales varmeledningsevne er lavere end værdien forudsagt af Casimir grænseteori. Den amorfe grænse betragtes som et materiales laveste varmeledningsevne, da amorfe strukturer stærkt spreder varmebærere. Imidlertid, på grund af dets unikke nanoskala design, den polykrystallinske silicium -nanotråd har en varmeledningsevne, der er tre gange lavere end for amorfe siliciummaterialer.

Forskerne, Yanguang Zhou og Ming Hu ved RWTH Aachen University i Tyskland, har udgivet et papir om den polykrystallinske silicium nanotråd i en nylig udgave af Nano bogstaver .

Forskerne forventer, at det nye materiale kan være særligt nyttigt til termoelektriske applikationer. Ved at omdanne varmeenergi til elektricitet, termoelektriske materialer giver mulighed for at fange noget af den spildvarme, der udsendes fra køretøjs udstødningsrør, kraftværker, og produktionsfaciliteter, og konverter derefter varmen til nyttig energi.

Generelt, gode termoelektriske materialer er dem, der samtidig har høj elektronledningsevne og lav varmeledningsevne. Sammen, disse to egenskaber fører til en høj samlet varme-til-elektricitet konverteringseffektivitet. I den nye undersøgelse, forskerne fokuserede på at reducere den termiske ledningsevne og samtidig bevare siliconematerialers allerede høje elektronledningsevne.

"I denne avis, vi rapporterer en ny struktur, polykrystallinsk nanotråd, som kan reducere den termiske ledningsevne til en rekord lav værdi, kun en tredjedel af dets amorfe modstykke, "Fortalte Zhou Phys.org . "Hvis vi beholder den elektriske ledningsevne og Seebeck -koefficienten som konstanter, som kan opnås ved doping af materialet, effektiviteten af ​​det polykrystallinske nanotråd til at omdanne varme til elektricitet kan forbedres med 277 gange i forhold til dets bulk -modstykke. "

Nøglen til det nye silicium nanotråds lave varmeledningsevne er dens polykrystallinske form, som består af mange krystalstrukturer af varierende former og størrelser i tilfældige retninger. Baseret på den gennemsnitlige kornstørrelse (ca. 3 nm) i de polykrystallinske silicium nanotråde, Casimir -grænsen forudsiger, at varmeledningsevnen ikke kan være under ca. 3 W/mK. Men forskernes simuleringer viser, at de polykrystallinske silicium -nanotråde har en varmeledningsevne på kun 0,7 W/mK. Til sammenligning, denne værdi er 269 gange lavere end værdien for bulk silicium, 77 gange lavere end for uberørte silicium nanotråde, og tre gange lavere end for amorfe silicon -nanotråde.

Forskerne forklarer, at et vigtigt træk ved den polykrystallinske struktur er, at korngrænserne mellem krystaller er diskontinuerlige. Som resultat, korngrænserne blokerer og spreder de varmetransporterende fononer, så fononerne ikke kan bevæge sig særlig langt (kun ca. 1 nm) gennem materialet i forhold til hvor langt de kan bevæge sig i andre siliciummaterialer (op til 1 µm), hvor korngrænserne danner et kontinuerligt netværk.

Resultaterne her rejser spørgsmålet om, hvad den lavest mulige varmeledningsevne kan være for silicium nanotråde af enhver form. Generelt, der er to slags vibrationer, der bidrager til varmeledningsevne:propagoner og diffusoner. Forskerne forventer, at det skal være muligt fuldstændigt at eliminere propagandabidrag ved at inkorporere uorden i form af nanotvinde strukturer i de polykrystallinske silicium -nanotråde for at minimere deres transport. Diffusoner, på den anden side, er forårsaget af den iboende strukturelle lidelse i et materiale, så de kan ikke reduceres på denne måde. Alligevel, ved at eliminere propagandabidrag, forskerne forventer, at varmeledningsevnen for de polykrystallinske silicium -nanotråde kan reduceres yderligere med 20%. Forskerne planlægger at forfølge dette mål i det fremtidige arbejde.

© 2016 Phys.org