(Phys.org)—Onderzoekers hebben theoretisch de laagste mate van warmteoverdracht aangetoond, of thermische geleidbaarheid, in elk materiaal op siliconenbasis dat tot nu toe is ontwikkeld.

Het nieuwe materiaal, wat een nanodraad van polykristallijn silicium is, breekt twee limieten:de Casimir-limiet en de amorfe limiet. De Casimir-limiet is een theorie die de thermische geleidbaarheid van nanostructuren beschrijft, en het breken ervan betekent dat de thermische geleidbaarheid van het nieuwe materiaal lager is dan de waarde voorspeld door de Casimir-limiettheorie. De amorfe limiet wordt beschouwd als de laagste thermische geleidbaarheid van een materiaal, aangezien amorfe structuren warmtedragers sterk verstrooien. Echter, dankzij het unieke ontwerp op nanoschaal, de nanodraad van polykristallijn silicium heeft een thermische geleidbaarheid die drie keer lager is dan die van amorfe siliciummaterialen.

De onderzoekers, Yanguang Zhou en Ming Hu aan de RWTH Aachen University in Duitsland, hebben een artikel gepubliceerd over de nanodraad van polykristallijn silicium in een recent nummer van Nano-letters .

De onderzoekers verwachten dat het nieuwe materiaal vooral nuttig kan zijn voor thermo-elektrische toepassingen. Door warmte-energie om te zetten in elektriciteit, thermo-elektrische materialen bieden een manier om een ​​deel van de afvalwarmte op te vangen die wordt uitgestoten door uitlaatpijpen van voertuigen, energiecentrales, en productiefaciliteiten, en zet de warmte vervolgens om in bruikbare energie.

In het algemeen, goede thermo-elektrische materialen zijn materialen die tegelijkertijd een hoge elektronengeleiding en een lage thermische geleidbaarheid hebben. Samen, deze twee eigenschappen leiden tot een hoge algehele warmte-naar-elektriciteit conversie-efficiëntie. In de nieuwe studie de onderzoekers concentreerden zich op het verminderen van de thermische geleidbaarheid met behoud van de toch al hoge elektronengeleidbaarheid van siliciummaterialen.

"In deze krant, we melden een nieuwe structuur, polykristallijne nanodraad, die de thermische geleidbaarheid kan verminderen tot een record lage waarde, slechts een derde van zijn amorfe tegenhanger, "Zhou vertelde Phys.org . "Als we de elektrische geleidbaarheid en de Seebeck-coëfficiënt constant houden, wat kan worden bereikt door het materiaal te doteren, de efficiëntie van de polykristallijne nanodraad om warmte om te zetten in elektriciteit kan met 277 keer worden verbeterd ten opzichte van zijn tegenhanger in bulk."

De sleutel tot de lage thermische geleidbaarheid van de nieuwe silicium nanodraad is de polykristallijne vorm, die bestaat uit vele kristalstructuren van verschillende vormen en maten in willekeurige oriëntaties. Op basis van de gemiddelde korrelgrootte (ongeveer 3 nm) in de nanodraden van polykristallijn silicium, de Casimir-limiet voorspelt dat de thermische geleidbaarheid niet lager kan zijn dan ongeveer 3 W/mK. Maar de simulaties van de onderzoekers laten zien dat de polykristallijne silicium nanodraden een thermische geleidbaarheid hebben van slechts 0,7 W/mK. Ter vergelijking, deze waarde is 269 keer lager dan die van bulksilicium, 77 keer lager dan die van ongerepte silicium nanodraden, en drie keer lager dan die van nanodraden van amorf silicium.

De onderzoekers leggen uit dat een belangrijk kenmerk van de polykristallijne structuur is dat de korrelgrenzen tussen kristallen discontinu zijn. Als resultaat, de korrelgrenzen blokkeren en verspreiden de warmtetransporterende fononen, zodat de fononen niet ver (slechts ongeveer 1 nm) door het materiaal kunnen bewegen in vergelijking met hoe ver ze kunnen bewegen in andere siliciummaterialen (tot 1 µm), waarin de korrelgrenzen een doorlopend netwerk vormen.

De resultaten hier roepen de vraag op wat de laagst mogelijke thermische geleidbaarheid kan zijn voor silicium nanodraden van welke vorm dan ook. In het algemeen, er zijn twee soorten trillingen die bijdragen aan de thermische geleidbaarheid:propagons en diffusons. De onderzoekers verwachten dat het mogelijk moet zijn om de bijdrage van propagons volledig te elimineren door wanorde in de vorm van nano-twin-structuren in de polykristallijne silicium nanodraden op te nemen om hun transport te minimaliseren. Diffusonen, anderzijds, worden veroorzaakt door de inherente structurele wanorde van een materiaal, ze kunnen dus niet op deze manier worden verminderd. Hoe dan ook, door de bijdrage van propagons te elimineren, de onderzoekers verwachten dat de thermische geleidbaarheid van de polykristallijne silicium nanodraden verder kan worden verminderd met 20%. De onderzoekers zijn van plan dit doel in toekomstig werk na te streven.

© 2016 Fys.org