Efficiëntie is groot in de kleine wereld van thermo-elektrische nanodraden. Onderzoekers van Sandia National Laboratories zeggen dat betere materialen en productietechnieken voor de nanodraden autofabrikanten in staat kunnen stellen energie te halen uit de warmte die wordt verspild door uitlaatsystemen of dat ze kunnen leiden tot efficiëntere apparaten om computerchips te koelen.

Sandia-onderzoekers publiceerden een paper, "Met behulp van galvanostatische elektroforming van Bi _1-x sb _x Nanodraden om de samenstelling te controleren, Kristalliniteit en oriëntatie, " in de editie van 28 januari van het MRS Bulletin van de Materials Research Society. De auteurs zijn W. Graham Yelton, Steven J. Limmer, Douglas L. Medlin, Michael P. Siegal, Michelle Hekmaty, Jessica L. Lensch-Falk, Kristopher Erickson en Jamin Pillars.

Het was de eerste keer dat onderzoekers de kristaloriëntatie konden beheersen, kristalgrootte en legeringsuniformiteit door één enkel proces. Alle drie de factoren dragen bij aan betere thermo-elektrische prestaties, zei Yelton.

"De drie samen betekenen een enorme winst, en het is moeilijk om te doen, "zei hij. "Het draait aan de knoppen van het proces om deze dingen zich te laten gedragen."

Betere nanodraadgeometrieën kunnen de warmtegeleiding verminderen en verbeteren wat de thermo-elektrische verdienste wordt genoemd, een maat voor de elektrische en thermische geleidbaarheid van een materiaal. Hoe hoger de elektrische geleidbaarheid en hoe lager de thermische geleidbaarheid, hoe hoger het cijfer van verdienste en, daarom, hoe efficiënter het materiaal. Echter, de kwaliteit van eerdere thermo-elektrische nanodraden bleek onvoldoende.

Thermo-elektrisch gebruik van nanodraad in de kinderschoenen

Ondanks hun inefficiëntie, sommige thermo-elektrische materialen zijn al in gebruik. Yelton vergelijkt hun ontwikkelingsstadium met de begindagen van fotovoltaïsche zonnecellen:iedereen zag het potentieel, maar ze waren zo inefficiënt dat ze alleen werden gebruikt als niets anders werkte.

Verbeterde efficiëntie in nanodraden zou het gebruik van thermo-elektrische materialen vergroten. Ze worden al in sommige sensoren gebruikt, en voertuigfabrikanten hopen dat ze warmte van uitlaatsystemen kunnen oogsten om voertuigsensorsystemen aan te drijven, zei Yelton. Het verminderen van het vermogen dat nodig is om het besturingssysteem van een voertuig te laten werken, kan het gewicht van de batterij en de dynamo verminderen en misschien sommige stroomopwekkende apparatuur elimineren, de grootte en het gewicht van het voertuig inkorten.

Sandia's paper beschrijft hoe het team thermo-elektrische nanodraadarrays creëerde met een uniforme samenstelling langs de lengte van de nanodraad en over de verspreiding van de nanodraadarray, die mogelijk honderden miljoenen nanodraden kan bevatten. In aanvulling, ze creëerden nanodraadkristallen van uniforme grootte en oriëntatie, of richting. Uniforme samenstelling verbetert de efficiëntie, terwijl oriëntatie belangrijk is, zodat elektronen, de dragers van energie, beter stromen.

Het team gebruikte een kosteneffectieve methode genaamd elektroformeren bij kamertemperatuur. die wijdverbreid is in commerciële galvanisatie. Door elektroformeren wordt het materiaal met een constante snelheid afgezet, waardoor nanodraden op hun beurt met een constante snelheid kunnen groeien. De methode produceerde draden met een diameter van 70-75 nanometer en vele microns lang.

Yelton gebruikte pulsen van gecontroleerde stroom om het thermo-elektrische materiaal af te zetten, waardoor de samenstelling door de draad en de array wordt gecontroleerd. "Er zijn kleine nuances in de techniek die ik doe om de oriëntatie mogelijk te maken, de kristalgroei en de samenstelling binnen een vrij krap bereik te houden, " hij zei.

Techniek maakte controle over belangrijke facetten van nanodraadvorming mogelijk

De methode leverde een vrij grote, licht gedraaide kristallijne draadstructuur die bijna een enkel kristal was en de gewenste oriëntatie had. "Zonder dat, je kon geen goede efficiëntie krijgen, ' zei Jelton.

De chemie van het materiaal is ook belangrijk. Voor het Sandia-team, antimoonzouten spelen een belangrijke rol in de kwaliteit en oriëntatie van de kristallijn. Bismut-antimoon (Bi-Sb) legeringen hebben enkele van de hoogste thermo-elektrische prestaties - ze werken zowel als een geleider van elektriciteit en als een isolator tegen warmte - van veel materialen voor toepassingen in de buurt van kamertemperatuur. Maar bestaande Bi-Sb-materialen produceren geen effectieve koeling in vaste toestand wanneer er constant stroom wordt geleverd aan het apparaat dat wordt gekoeld, zoals een computer.

Het Sandia-team wilde een verbinding die zich als een metaal gedroeg, maar geen warmte zou geleiden. Het legeren van antimoon met bismut paste precies, zei Yelton. Bi-Sb nanodraad-arrays die zijn geëlektroformeerd met een op antimoon-jodide gebaseerde chemie, misten de benodigde eigenschappen, maar arrays geëlektroformeerd uit een op antimoonchloride gebaseerde chemie produceerden kristallografie en oriëntatie voor maximale thermo-elektrische prestaties.

"De chemie stelde ons in staat om van poly-nanokristallijne structuur naar bijna eenkristallen van 2-5 micrometer te gaan, " betere controle geven over uniformiteit, zei Yelton.

Volgende stap:maak een elektrisch contact

De volgende stap is uitdagender:het maken van een elektrisch contact en het bestuderen van het resulterende thermo-elektrische gedrag.

"Thermo-elektrische materialen vormen gemakkelijk oxiden of intermetallische stoffen, wat leidt tot slechte contactverbindingen of een hogere elektrische contactweerstand. Dat vermindert de winst die wordt behaald bij het ontwikkelen van de materialen, ' zei Jelton.

Terwijl het Sandia-team goed contact heeft kunnen krijgen aan de onderkant van een reeks, verbinding maken aan de top is moeilijk gebleken, hij zei.

"Contact maken en array-prestaties meten is niet triviaal, ' zei Jelton.

Hij en zijn collega's zoeken verdere financiering om het probleem van het succesvol leggen van contacten op te lossen, en vervolgens om de thermische elektrische eigenschappen van arrays te karakteriseren. "Als het lukt in de laboratoria, we zouden proberen een industriemedewerker te vinden om het idee te laten rijpen, " hij zei.