Een nieuw apparaat dat wordt ontwikkeld door de natuurkundige Yi Gu van de Washington State University, zou op een dag de warmte die wordt gegenereerd door een breed scala aan elektronica in een bruikbare brandstofbron kunnen veranderen.

Het apparaat is een multicomponent, meerlagig composietmateriaal, een van der Waals Schottky-diode genoemd. Het zet warmte tot drie keer efficiënter om in elektriciteit dan silicium, een halfgeleidermateriaal dat veel wordt gebruikt in de elektronica-industrie. Hoewel nog in een vroeg stadium van ontwikkeling, de nieuwe diode zou uiteindelijk een extra krachtbron kunnen zijn voor alles, van smartphones tot auto's.

"Het vermogen van onze diode om warmte om te zetten in elektriciteit is erg groot in vergelijking met andere bulkmaterialen die momenteel in de elektronica worden gebruikt, " zei Gu, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de WSU. "In de toekomst, een laag kan worden bevestigd aan iets heets zoals een uitlaat van een auto of een computermotor en een andere aan een oppervlak bij kamertemperatuur. De diode zou dan het warmteverschil tussen de twee oppervlakken gebruiken om een ​​elektrische stroom te creëren die in een batterij kan worden opgeslagen en indien nodig kan worden gebruikt."

Gu publiceerde onlangs een paper over de Schottky-diode in The Journal of Physical Chemistry Letters .

Een nieuw soort diode

In de wereld van de elektronica, Schottky-diodes worden gebruikt om elektriciteit in een bepaalde richting te geleiden, vergelijkbaar met hoe een klep in een waterleiding de vloeistofstroom erdoorheen stuurt. Ze worden gemaakt door een geleidend metaal zoals aluminium aan een halfgeleidermateriaal zoals silicium te bevestigen.

In plaats van een gewoon metaal zoals aluminium of koper te combineren met een conventioneel halfgeleidermateriaal zoals silicium, Gu's diode is gemaakt van een meerlaagse microscopische, kristallijn indiumselenide. Hij en een team van afgestudeerde studenten gebruikten een eenvoudig verwarmingsproces om een ​​laag van het Indium Selenide te wijzigen om als een metaal te werken en een andere laag om als een halfgeleider te werken. De onderzoekers gebruikten vervolgens een nieuw soort confocale microscoop ontwikkeld door Klar Scientific, een startend bedrijf dat gedeeltelijk is opgericht door WSU-natuurkundige Matthew McCluskey, om de elektronische eigenschappen van hun materialen te bestuderen.

In tegenstelling tot zijn conventionele tegenhangers, Gu's diode heeft geen onzuiverheden of defecten op het grensvlak waar het metaal en de halfgeleidermaterialen met elkaar zijn verbonden. De soepele verbinding tussen het metaal en de halfgeleider zorgt ervoor dat elektriciteit met bijna 100 procent efficiëntie door het meerlagige apparaat kan reizen.

"Als je een metaal aan een halfgeleidermateriaal zoals silicium bevestigt om een ​​Schottky-diode te vormen, er zijn altijd enkele defecten die zich vormen op de interface, " zei McCluskey, een co-auteur van de studie. "Deze onvolkomenheden vangen elektronen op, de stroom van elektriciteit belemmeren. De diode van Gu is uniek omdat het oppervlak geen van deze defecten lijkt te hebben. Dit verlaagt de weerstand tegen de stroom van elektriciteit, waardoor het apparaat veel energiezuiniger is."

Volgende stappen

Gu en zijn medewerkers onderzoeken momenteel nieuwe methoden om de efficiëntie van hun indiumselenidekristallen te verhogen. Ze onderzoeken ook manieren om grotere hoeveelheden van het materiaal te synthetiseren, zodat het kan worden ontwikkeld tot bruikbare apparaten.

"Terwijl nog in de voorbereidende fase, ons werk betekent een grote sprong voorwaarts op het gebied van thermo-elektriciteit, "Zei Gu. "Het zou een belangrijke rol kunnen spelen bij het realiseren van een meer energie-efficiënte samenleving in de toekomst."