Een natuurkundige van de Universiteit van Texas in Dallas heeft samengewerkt met Texas Instruments Inc. om een ​​betere manier te ontwerpen voor elektronica om afvalwarmte om te zetten in herbruikbare energie.

Het samenwerkingsproject toonde aan dat het vermogen van silicium om energie uit warmte te halen aanzienlijk kan worden vergroot, terwijl het in massa kan worden geproduceerd.

Dr. Mark Lee, hoogleraar en hoofd van de afdeling Natuurkunde van de School voor Natuurwetenschappen en Wiskunde, is de corresponderende auteur van een studie gepubliceerd op 15 juli in Natuur Elektronica die de resultaten beschrijft. De bevindingen kunnen grote invloed hebben op hoe circuits in elektronica worden gekoeld, evenals een methode bieden voor het voeden van de sensoren die worden gebruikt in het groeiende 'internet of things'.

"Sensoren gaan nu overal naartoe. Ze kunnen niet constant worden aangesloten, dus ze moeten heel weinig stroom verbruiken, Lee zei. "Zonder een betrouwbare lichtbron voor fotovoltaïsche energie, je hebt een soort batterij nodig - een die niet vervangen hoeft te worden."

Thermo-elektrische opwekking is een zeer groene energiebron, het omzetten van een temperatuurverschil in elektrische energie.

"In algemene zin afvalwarmte is overal:de warmte die uw automotor genereert, bijvoorbeeld, ' zei Lee. 'Die warmte verdwijnt normaal gesproken. Als je een constant temperatuurverschil hebt - zelfs een klein verschil - dan kun je wat warmte omzetten in elektriciteit om je elektronica te laten werken."

Sensoren ingebed onder een verkeerskruising zijn een voorbeeld van handige thermo-elektrische energie.

"De warmte van de wrijving van banden en van zonlicht kan worden geoogst omdat het materiaal onder de weg kouder is, ' zei Lee. 'Dus niemand hoeft dat op te graven om een ​​batterij te vervangen.'

De belangrijkste hindernissen voor wijdverbreid thermo-elektrisch oogsten waren efficiëntie en kosten, hij zei.

"Thermo-elektrische opwekking is duur geweest, zowel in termen van kosten per apparaat als kosten per watt opgewekte energie, "Zei Lee. "De beste materialen zijn vrij exotisch - ze zijn zeldzaam of giftig - en ze zijn niet gemakkelijk compatibel te maken met elementaire halfgeleidertechnologie."

Silicium, waarop zoveel technologie steunt, is het op één na meest voorkomende element in de aardkorst. Het staat sinds de jaren vijftig bekend als een slecht thermo-elektrisch materiaal in zijn bulk, kristallijne vorm. Maar anno 2008 nieuw onderzoek wees uit dat silicium veel beter presteerde als nanodraad - een filamentachtige vorm met twee van zijn drie dimensies van minder dan 100 nanometer. Ter vergelijking, een vel papier is ongeveer 100, 000 nanometer dik.

"In het decennium sinds die experimenten, echter, pogingen om een ​​bruikbare silicium thermo-elektrische generator te maken zijn niet gelukt, "zei Leen.

Een barrière is dat de nanodraad te klein is om compatibel te zijn met chipproductieprocessen. Om dit te overwinnen, Lee en zijn team vertrouwden op "nanoblades" - slechts 80 nanometer dik maar meer dan acht keer zo breed. Hoewel dat nog steeds veel dunner is dan een vel papier, het is compatibel met de regels voor het vervaardigen van chips.

Studie co-auteur Hal Edwards, een TI-fellow bij Texas Instruments, ontworpen en begeleid fabricage van de prototype apparaten. Hij wendde zich tot Lee en UT Dallas om verder te bestuderen wat de apparaten konden doen.

"Een diepe duik voor deze nieuwe metingen, gedetailleerde analyse en literatuurvergelijking vereist een universitaire groep, " zei Edwards. "Professor Lee's analyse identificeerde belangrijke statistieken waarin onze goedkope siliciumtechnologie gunstig concurreert met meer exotische samengestelde halfgeleiders."

Lee legde uit dat de vorm van het nanoblad wat thermo-elektrisch vermogen verliest ten opzichte van de nanodraad.

"Echter, als je er veel tegelijk gebruikt, kun je ongeveer evenveel kracht genereren als de beste exotische materialen, met hetzelfde oppervlakte- en temperatuurverschil, " hij zei.

De circuitontwerpoplossing van het team combineerde een goed begrip van de natuurkunde op nanoschaal met technische principes. Een belangrijk besef was dat sommige eerdere pogingen mislukten omdat er te veel materiaal werd gebruikt.

"Als je te veel silicium gebruikt, het temperatuurverschil dat de generatiedalingen voedt, Lee zei. "Er wordt te veel restwarmte gebruikt, en, als die marge van warm naar koud daalt, je kunt niet zoveel thermo-elektrische energie opwekken.

"Er is een goede plek die, met onze nanobladen, we zijn veel dichter bij het vinden dan wie dan ook. De verandering in de bestudeerde vorm van silicium veranderde het spel, " hij voegde toe.

Lee zei dat de geavanceerde siliciumverwerkingstechnologie bij Texas Instruments efficiënte, goedkope fabricage van een groot aantal apparaten.

"Je kunt leven met een vermindering van 40% in thermo-elektrisch vermogen ten opzichte van exotische materialen, omdat je kosten per gegenereerde watt kelderen, " zei hij. "De marginale kosten zijn een factor 100 lager."

Gangyi Hu Ph.D.'19, die in mei zijn doctoraat in de natuurkunde afrondde aan de UT Dallas, is de hoofdauteur van de studie. Hij produceerde de computermodellering om het aantal nanobladen per oppervlakte-eenheid te bepalen dat de meeste energie zal produceren zonder het temperatuurverschil te verminderen.

"We hebben de configuratie van onze apparaten geoptimaliseerd om ze tot de meest efficiënte thermo-elektrische generatoren ter wereld te plaatsen, ' zei Hu. 'Omdat het silicium is, het blijft goedkoop, makkelijk te installeren, onderhoudsvrij, duurzaam en mogelijk biologisch afbreekbaar."

Lee zei dat het werk ook nieuw was omdat ze een geautomatiseerde industriële productielijn gebruikten om de thermo-elektrische siliciumgeneratoren met geïntegreerde schakelingen te fabriceren.

"We willen deze technologie integreren met een microprocessor, met een sensor op dezelfde chip, met een versterker of radio, enzovoort. Ons werk werd gedaan in de context van die volledige reeks regels die alles regelen wat in massaproductie van chips komt, ' zei Lee. 'Bij Texas Instruments, dat is het verschil tussen een technologie die ze kunnen gebruiken en een die ze niet kunnen gebruiken."

Edwards stond in voor de vele voordelen van samenwerking met UT Dallas, inclusief werving.

"Ik vind mijn samenwerkingen met de groep van professor Lee erg waardevol, Edwards zei. "Ik waardeer ook de mogelijkheid om studenten goed te leren kennen, zodat ik ze kan helpen bij het vinden van rollen binnen TI. Een van mijn naaste TI-collega's was professor Lee's Ph.D. student tijdens een van onze eerdere samenwerkingen."