De levensduur van elektronische apparaten wordt op vele manieren getest omdat ze de ontberingen van het dagelijks gebruik doorstaan. Zelfs als ze met de grootste zorg worden behandeld, ze hebben nog een grote uitdaging te overwinnen:het afvoeren van warmte.

Om dit probleem te verlichten, ECE-assistent-professor Junxia "Lucy" Shi en haar team van onderzoekers in de Laboratorium voor geavanceerde halfgeleidermaterialen en -apparaten bij UIC richten zich op het gebruik van een nieuwe methode voor het koelen van hotspots in elektronica en het opvangen van de verloren warmte om de apparaten van stroom te voorzien. De nieuwe techniek heeft bovendien het potentieel om de levensduur van elektronische componenten te verlengen.

De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in de prestigieuze tijdschriften Wetenschappelijke rapporten en Fysiek beoordelingsmateriaal .

Elektronische apparaten worden steeds kleiner, en produceren veel warmte wanneer ze stromen voeren. Als de warmte niet uit het apparaat wordt gehaald, het zal de operationele levensduur verkorten. De huidige koeltechnieken zijn alleen efficiënt als de warmte zich dicht bij het oppervlak bevindt. Binnen een chip zijn er plaatsen die "hotspots, ", dit zijn gebieden met plaatselijke hoge temperaturen.

"Deze zijn te vermijden, anders zorgen ze voor storingen", zegt Shi. "Onze beoogde toepassingen zijn warmtesensoren, energie omvormers, etc. Die warmte die in apparaten wordt gegenereerd willen we desgewenst kunnen meten, of nog beter, die warmte onttrekken en omzetten in elektriciteit."

"Wat we hier proberen te doen, is de intrinsieke eigenschap van materiaal gebruiken in combinatie met de moderne technieken van thermische solid-state koeling om meer warmte uit het apparaat te halen, " zei postdoctoraal onderzoeker Parijat Sengupta, die werkt onder leiding van Shi. "We kijken naar de interne rangschikking van elektronen, hoe ze de beweging in het kristal uitvoeren, en hoe de beweging aanleiding geeft tot een bepaald soort magnetisch veld, die niet van buitenaf wordt aangebracht. Het is alsof je een intern magnetisch veld hebt en het creëert een extra mogelijkheid om meer warmte uit het apparaat te halen."

De onderzoekers kwantificeerden theoretisch hoeveel warmte kan worden aangedreven, en ze ontdekten dat er veel warmte wordt geproduceerd, en de energie kan worden geoogst.

"Je stuurt stroom door een apparaat - dus je zet spanning aan - en op zijn beurt ontvang je warmte, die meestal verloren gaat. We proberen die warmte op meerdere manieren te gebruiken, " zei Shi.

"De warmte kan worden benut door een thermische stroomgenerator aan te drijven, waar de warmte weer elektriciteit opwekt, "zei Sengupta. "Ook, we kunnen warmte gebruiken om 'spinstromen' aan te drijven, ' wat het interne attribuut van het elektron is."

"Gedreven door de motivatie om energie te oogsten, we hebben een materiaal gekozen waar extra impuls kan worden gegeven aan de interne rangschikking van atomen en elektronen van het materiaal en kijken naar de optimale experimentele opstellingen die we kunnen zoeken om de warmtestroom te maximaliseren, ", voegde Sengupta eraan toe.

De onderzoekers gebruiken thermische stroomgeneratoren vanuit het oogpunt van de toepassing vanwege de warmte die het kan onttrekken en een andere generator kan aandrijven. Er zijn twee effecten, het Seebeck-effect en het Peltier-effect, die in het onderzoek spelen.

"Als ik warmte door dit materiaal drijf, ontstaat er een temperatuurgradiënt en ontstaat er spanning die je voor iets anders kunt gebruiken. Dat is het primaire doel, " zei Sengupta. "De tweede is de spinstroom. We hebben de spin van elektronen in ons werk geïntroduceerd. Dat maakt dit onderzoek interessant."
Lees meer over professor Shi en haar onderzoek bij Advanced Semiconductor Materials and Devices Laboratory.