Geminiaturiseerde halfgeleiderapparaten met functies voor het oogsten van energie hebben de weg vrijgemaakt voor draagbare technologieën en sensoren. Hoewel thermo-elektrische systemen in deze context aantrekkelijke eigenschappen hebben, de mogelijkheid om grote temperatuurverschillen tussen apparaatterminals te handhaven blijft steeds moeilijker te bereiken met versnelde trends in miniaturisatie van apparaten. Als resultaat, een groep wetenschappers in toegepaste wetenschappen en techniek heeft een voorstel ontwikkeld en gedemonstreerd voor een architecturale oplossing voor het probleem waarbij geconstrueerde actieve dunnefilmmaterialen worden geïntegreerd in flexibele driedimensionale (3D) vormen.

De aanpak maakte een efficiënte aanpassing van thermische impedantie mogelijk, en een vermenigvuldigde warmtestroom door de oogstmachine om de efficiënte stroomconversie te verhogen. In de studie uitgevoerd door Kewang Nan en collega's, onderling verbonden arrays van 3D thermo-elektrische spoelen werden gebouwd met microschaallinten van het actieve materiaal monokristallijn silicium om de voorgestelde concepten te demonstreren. Daarna werden kwantitatieve metingen en simulaties uitgevoerd om de basisprincipes van de werking en de belangrijkste ontwerpkenmerken van de strategie vast te stellen. De resultaten, nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , suggereerde een schaalbare strategie om harde thermo-elektrische dunne films in te zetten in energieoogstmachines die efficiënt kunnen worden geïntegreerd met systemen van zacht materiaal, inclusief menselijk weefsel, om in de toekomst draagbare sensoren te ontwikkelen.

Thermo-elektrische apparaten bieden een platform om alomtegenwoordige thermische gradiënten op te nemen die elektrische stroom opwekken. Om draagbare sensoren of de "Internet of Things"-apparaten te bedienen, de temperatuurgradiënt tussen de omgeving en het menselijk lichaam/levenloze objecten moet zorgen voor kleinschalige voedingen. Voortdurende vooruitgang in het veld is gericht op agressieve downscaling van de stroomvereisten voor geminiaturiseerde systemen om hun potentieel in thermo-elektrische en energiewinningstoepassingen te vergroten. Geïntegreerde processors en radiozenders kunnen bijvoorbeeld werken met een vermogen in het bereik van subnanowatt, enkele recente voorbeelden worden aangedreven via op omgevingslicht gebaseerde energiewinning en endocochleair potentieel. Dergelijke platforms kunnen worden gekoppeld aan sensoren met een vergelijkbaar vermogen om gedistribueerde, continue en externe milieu-/biochemische monitoring.

Twee belangrijke uitdagingen bij de ontwikkeling van geminiaturiseerde thermo-elektrische oogstmachines zijn het afstemmen van de vereiste thermische impedantie en mechanische compliantie van de actieve materialen om te integreren in biologische systemen. Een goed ontwikkeld systeem voor apparaatflexibiliteit omvat het combineren van dunnefilmpolymeren met metaalfolies zoals draden of linten. In de studie, Nan et al stellen een oplossing voor en demonstreren door een tweedimensionaal (2-D) voorlopersysteem te ontwikkelen voor de ontwikkeling van functionele 3-D spiraalvormige spoelen. De van nature flexibele aard van de spoelen stelde de systemen in staat zich aan te passen aan complexe biologische oppervlakken, zelfs degenen die dynamisch zijn met de tijd, om een ​​uitstekend thermisch contact met de warmtebron te garanderen. Verder, de 3D-aard van het systeem zorgde voor een meervoudige toename van het oppervlak voor een hogere warmtewisselingscapaciteit om maximaal vermogen te leveren.

De architectuur van de thermo-elektrische spiraalvormige spoel werd vervaardigd met monokristallijn silicium als het actieve materiaal. De mechanisch geleide assemblage genereerde 3D-helixstructuren van 2D-serpentines via compressieknik. De serpentines bevatten siliciumlinten met p- en n-type segmenten, en het systeem was aan de boven- en onderkant ingekapseld met polymeercoatings. De architectuur maakte transformatie van het systeem van 2D naar 3D mogelijk tijdens implementatie en gebruik. Hoewel zwaar gedoteerd met silicium, de 3D-spoelen waren in staat om opmerkelijke niveaus van mechanische flexibiliteit en robuustheid te bieden tijdens hanterings- en buigtoepassingen. Het samenstel week niet significant af van de geometrie die was voorspeld met behulp van eindige elementenanalyse (FEA). Dergelijke materiaaleigenschappen maakten het systeem zeer geschikt om intieme thermische interfaces met het menselijk lichaam te vormen, zoals de pols of enkels.

Om de mechanische en thermische eigenschappen van de 3D-spoelen te verbeteren, de wetenschappers gebruikten FEA-software voor computationeel geleide optimalisatie van het resulterende apparaat. In principe, de 3D-architectuur van het apparaat was voordelig voor effectief oogsten. Daarom, met opzet, het 3D-spiraalvormige spoelsysteem omvatte een taps toelopende geometrie die naar boven toe in breedte toenam, zoals ontworpen met FEA om thermische en mechanische reacties te optimaliseren. Het ontwerpschema in de studie is speciaal verbeterd voor het oogsten in miniatuurapparaten. Verhoogde koelcapaciteit van het apparaatontwerp had grotere voordelen om eventuele verliezen als gevolg van parasitaire warmtestroom in het systeem tegen te gaan.

Nan et al, voerde ook mechanische conformiteitstests uit op de apparaten om inzicht te krijgen in hun vermogen om aanzienlijke buigingen te doorstaan, in-plane stretching en out-of-plane compressie, net als bij eerdere rapporten. De 3D-structuren kunnen gedurende honderd cycli tot 60 procent in de richting van het vlak worden uitgerekt en tot 30 procent verticaal worden samengedrukt. met minimale degradatie in elektrische eigenschappen. De apparaten vertoonden een uitzonderlijke mechanische compliantie, zoals voorspeld door FEA. Uniaxiaal rekken over 200 cycli resulteerde niet in elektrisch of mechanisch falen. De 3D-spoel toonde veerkracht met potentieel voor interface-integratie in miniatuurapparaten.

Vermogensprojecties van de oogstmachines werden ook gekarakteriseerd om consistente resultaten te tonen die in lijn waren met de ontwerpverwachtingen. De nullastspanning van het apparaat nam in de loop van de tijd niet af in de metingen, wat aangeeft dat het thermische profiel van het apparaat zich in een stabiele toestand bevond. In de studie, de auteurs genereerden een routekaart voor vermogensverbetering en een fabricageschema om apparaten voor het oogsten van energie te ontwikkelen met andere materialen dan silicium - inclusief organische varianten.

De auteurs bevelen aanvullend onderzoek aan naar depositiemethoden, doping en patroonvorming voor organische en composietmaterialen. De materialen mogen niet bezwijken voor elektrische weerstand tijdens mechanische transformatie van 2D naar 3D. Met silicium gebruikt in de studie, een drievoudige toename van de weerstand werd waargenomen tijdens de transformatie mogelijk als gevolg van elektrodecontact, apparaatdegradatie of plastische vervorming in sommige delen van het apparaat. De studie vertegenwoordigt een veelbelovende strategie om dunnefilmmaterialen te integreren in oogstmachines met zachte materiaalsystemen (inclusief menselijke huid) om in de toekomst energetisch geoptimaliseerde draagbare elektronische apparaten te realiseren.

© 2018 Wetenschap X Netwerk