Elektronische apparaten ontwikkelen vaak 'hot spots' die nadelig kunnen zijn voor de prestaties. Veel onderzoek heeft zich gericht op het ontwikkelen van methoden om het systeem te koelen, of, nog beter, zet de overtollige warmte om in elektriciteit door gebruik te maken van het thermo-elektrische effect - waarbij een thermische gradiënt de beweging van ladingsdragers induceert. Echter, eerdere pogingen om generatoren op chipniveau te bouwen zijn mislukt omdat de ingebouwde materialen niet compatibel waren met de technologie die wordt gebruikt voor het bouwen van geïntegreerde schakelingen, zoals complementaire metaaloxidehalfgeleiders (CMOS).

Navab Singh en medewerkers van het A*STAR Institute of Microelectronics en de National University of Singapore1 hebben nu een nanoschaal thermo-elektrische generator (TEG) gemaakt met behulp van silicium nanodraadarrays. Silicium, die compatibel is met de basismaterialen in CMOS, was eerder verdisconteerd vanwege de slechte prestaties als generator in bulkvorm, maar het is veel effectiever gebleken op nanoschaal.

“Silicium nanodraden hebben veel betere thermo-elektrische eigenschappen dan het moedermateriaal, omdat ze een veel lagere thermische geleidbaarheid hebben, ', legt Singh uit. “Ook, Er is al state-of-the-art apparatuur beschikbaar voor het verwerken van silicium. Daarom, als thermo-elektrische koelers en energieoogstmachines kunnen worden gefabriceerd met behulp van silicium nanodraden, ze kunnen goedkoop zijn, schaalbaar, apparaten met een hoog rendement.”

De onderzoekers construeerden hun TEG door twee verschillende metalen platen met elkaar te verbinden met behulp van verticale poten gemaakt van afwisselende bosjes n-type silicium nanodraden, waarin overtollige elektronen de lading dragen, en p-type nanodraden, waarin de ladingsdragers ‘gaten’ zijn die worden veroorzaakt door ontbrekende elektronen (zie afbeelding). Volgens Singh, de grootste uitdaging was het verbinden van de nanodraden met de metalen platen om een ​​contact met een lage weerstand mogelijk te maken en de optimale thermo-elektrische prestaties te leveren. Om dit te doen, ze pasten gevestigde technieken van CMOS-fabricage aan. “Echter, hoge contactweerstand op de draadtoppen blijft een probleem en ons ontwerp moet verder worden verbeterd, ', zegt Singh.

Als elektrische generator, een TEG kan worden gebruikt om een ​​gedeelte van een elektronisch circuit 'zelf van stroom te voorzien'. “Verder, ze kunnen worden gebruikt om stroom op te wekken en batterijen aan te vullen in de meeste systemen met een hoge warmtestroom, zoals auto's, halfgeleiderlasers en fotodetectoren, ’ stelt Singh voor. Ze kunnen ook zorgen voor een efficiënte, goedkoop koelsysteem voor het verwijderen van hotspots.

Singh is van mening dat TEG's op nanoschaal ook in de medische wetenschap kunnen worden gebruikt om implantaten in het menselijk lichaam van stroom te voorzien:"Een thermo-elektrische stroomgenerator met nanodraad past perfect. Ze kunnen worden geschaald naar de juiste maat en omdat ze geen bewegende delen hebben, ze zijn betrouwbaar en kunnen de hele levensduur van de patiënt beslaan. Via de temperatuurgradiënt tussen het lichaam en de omgeving zou dan energie kunnen worden gewonnen.”