Elektrische energie kan worden opgewekt uit een temperatuurverschil in een circuit met geschikte materialen. Bij simulaties, Wetenschappers van ETH Zürich laten zien welke materialen de meeste kans van slagen hebben in een thermo-elektrisch proces.

De nanodraden zien eruit als lange frieten:langwerpige rechthoekige kubussen van meer dan 300 siliciumeenheidscellen lang en met een doorsnede van 9 eenheidscellen breed en 9 hoog. De draden zijn klein, slechts 160 nanometer lang en ongeveer vijf nanometer in equivalente diameter - 10, 000 keer dunner dan een haar. De nanodraden zijn gecoat met een atomair dunne laag germanium, waarbij de dikte van de laag slechts één tot twee eenheidscellen van het halfgeleidermateriaal is.

Een silicium-germanium-nanodraad met deze constructie is – of beter gezegd zou – een waardige kandidaat voor gebruik in thermo-elektriciteit. Het enige probleem is dat, tot nu toe, het kleine halfgeleiderdraadje in deze vorm bestaat alleen in de computer van Ming Hu, een postdoctoraal wetenschapper in de groep van Dimos Poulikakos, Hoogleraar Thermodynamica aan het Institute of Energy Technology. Professor K. Giapis van het California Institute of Technology, VS, die zijn sabbatsverlof doorbracht bij de Poulikakos-groep aan de ETH Zürich, werkte ook mee aan het onderzoek dat leidde tot de ontwikkeling van deze draad.

Effectievere nanodraden

Thermo-elektriciteit maakt gebruik van het feit dat temperatuur en elektriciteit onder bepaalde omstandigheden onderling converteerbaar kunnen zijn. Door het zogenaamde Seebeck-effect, een kleine elektrische spanning ontstaat in een circuit wanneer er een temperatuurverschil aanwezig is tussen de contactpunten van twee verschillende soorten elektrische geleiders in het circuit. Echter, niet alle geleidende of halfgeleidende materialen zijn geschikt voor het opwekken van thermo-elektriciteit. Om hoge conversiecoëfficiënten te vertonen die een materiaal levensvatbaar maken voor realistische toepassingen, moet de thermische geleidbaarheid van het materiaal zo klein mogelijk zijn, terwijl de elektrische geleidbaarheid groot moet zijn. Dimos Poulikakos zegt, "Dergelijke materialen zijn praktisch niet aanwezig in de natuur."

Daarom, het doel van het onderzoeksproject was om een ​​geschikt materiaal te ontwerpen met deze eigenschappen. Silicium laat in de natuur los en zou in dit opzicht bijzonder geschikt kunnen zijn. Hoewel de thermische geleidbaarheid van bulksilicium hoog is, deze thermische geleidbaarheid verslechtert zodra de halfgeleider wordt omgezet in een draadachtige nanostructuur. De ETH Zürich-professor waarschuwt echter:dat "zelfs pure silicium nanodraden niet goed genoeg zijn voor efficiënte energieconversie."

Germaniumlaag vermindert de thermische geleidbaarheid verder

Door computersimulaties, Hu Ming heeft nu ontdekt hoe het probleem kan worden opgelost. Hij toonde aan dat silicium nanodraden de warmte nog slechter geleiden als ze zijn gecoat met een atomair dunne laag germanium, een andere halfgeleider. De thermische geleidbaarheid neemt met 75 procent af in vergelijking met nanodraden van puur silicium, en doet dat bij kamertemperatuur. Anderzijds, toen Hu meer lagen germanium aan zijn model toevoegde, de thermische geleidbaarheid nam weer toe.

De onderzoekers toonden aan dat de reden voor de dramatische vermindering van de thermische geleidbaarheid van met germanium gecoate siliciumnanodraden ligt in de veranderde trillingsmodi van de fononen die warmte door het kristalrooster transporteren. De golflengten van de deeltjes werden verkort en samengedrukt op de grenslaag tussen het silicium en het germanium, die het warmtetransport in zeer grote mate blokkeerde.

Daarom, de onderzoekers concluderen dat dunne silicium nanodraden moeten worden gecoat met een of twee lagen germanium om een ​​belangrijke stap te kunnen zetten in de richting van levensvatbare thermo-elektrische processen.

Van de computer naar het laboratorium

De Si/Ge-nanodraden bestaan ​​nog steeds alleen in de computer van Ming Hu. Echter, het plan is om ze binnenkort in het laboratorium van Poulikakos te maken voor echte experimenten. Thermo-elektrische methoden kunnen in de toekomst een belangrijke bijdrage leveren aan de productie van alternatieve energie. Bijvoorbeeld, de ETH Zürich-hoogleraar kan zich voorstellen dat, met behulp van geschikte installaties, ze kunnen worden gebruikt om de restwarmte van machines of gebouwen te benutten om elektriciteit op te wekken, die kunnen worden opgeslagen of aan het net kunnen worden geleverd. Op basis van de huidige stand van kennis, je zou je apparaten kunnen voorstellen die elektriciteit leveren aan individuele huizen of draagbare apparatuur. Thermo-elektrische modules, bijv. zo groot als een keukentafel, zou ook kunnen dienen als zonnepanelen om elektrische energie op te wekken uit zonne-energie. Echter, dit zijn op dit moment de eerste gedachte-experimenten. Poulikakos waarschuwt dat, “Zulke praktische toepassingen zijn nog best ver in de toekomst”