Новый наносетчатый материал замедляет фононы

Пленка на основе кремния может привести к созданию эффективных термоэлектрических устройств.

Компьютеры, лампы накаливания и даже люди генерируют тепло — энергию, которая обычно растрачивается впустую. Эту энергию можно было бы использовать с помощью термоэлектрического устройства, которое преобразует тепло в электричество и наоборот.

Различные термоэлектрические приборы рекламируются как используемые в составе новых холодильников и других охлаждающих и нагревающих приборов. Однако современные разработки недостаточно эффективны для широкого коммерческого использования или же смонтированы из редких материалов, которые являются не только дорогими, но и вредными для окружающей среды.

Ученые из Калифорнийского технологического института (Caltech) создали новый тип материала — сделанный из кремния, второго по популярности химического элемента на планете — который в итоге может привести к созданию более эффективных термоэлектрических устройств. Разработка может привести к качественному прорыву в сфере, где определяющими являются нанотехнологии в России и в мире.

Материал — тип наносетки — состоит из тонкой пленки с размещенными на манер отверстий решетки крошечными отверстиями. Уникальный дизайн материала препятствует проникновению теплоты сквозь него, снижая теплопроводность примерно до гипотетического кремниевого предела. В то же время конструкция проводит электричество, как и обычный кремний.

«В терминах регуляции теплопроводности это достаточно сложные устройства», сообщил профессор химии и ведущий автор исследования Джеймс Хит.

Результаты исследования опубликованы в издании Nature Nanotechnology.

Основная стратегия того, чтобы сделать термоэлектрический материал энергоэффективным, состоит в снижении теплопроводности без повреждения электрической проводимости, которая заключается в том, насколько хорошо электричество может проходить сквозь вещество.

Хит с коллегами ранее уже провели опыт с кремниевыми нанопроводами, которые в 10-100 раз тоньше тех, что применяются в современных компьютерных микрочипах. Нанопровода препятствуют нагреву, позволяя свободно протекать потоку электронов.

В любом материале тепло перемещается посредством фононов — проквантованных колебаний, родственных фотонам. А поскольку фононы проходят сквозь материал, они переносят тепло из одной точки в другую. Нанопровода вследствие своей малой величины в сечении имеют большую площадь поверхности относительно объема. И пока фононы рассеиваются по поверхности, их трудно пропустить по нанопроводам без постоянной потери пути. В итоге нанопровода противостоят потоку тепла, но сохраняют электропроводимость.

Но создание все более тонких нанопроводов может быть эффективным лишь до определенного момента. Если нанопровода будут слишком малы, то площадь поверхности будет чрезмерно велика, так что даже электроны рассеются, приводя к резкому падению электропроводимости и инвертированию термоэлектрических преимуществ рассеивания фононов.

Чтобы обойти эту проблему, ученые создали наносетчатый материал из кремниевого листа 22 нанометра толщиной (напомним, что в 1 метре миллиард нанометров). Кремниевая пластина сделана в виде сетки, похожей на тонкую противомоскитную сетку, устанавливаемую на окнах от насекомых. Она вся сплошь испещрена отверстиями шириной 11 или 16 нанометров на расстоянии 34 нанометра друг от друга.

Вместо рассеивания фононов, проходящих насквозь, наносетка замедляет их. То, насколько быстро фононы проходят сквозь материал, зависит от свойств конкретного вещества. Кремниевая сетчатая структура снижает порог скорости передвижения фононов. Как только фононы проникают в нее, сетка перестает быть кремниевой как таковой.

«Наносетка перестает вести себя как кремниевая», сообщили постдокторант Слободан Митрович и аспирант Джен-Кан Ю, авторы публикации в Nature Nanotechnology.

Когда ученые сравнили наносетку с нанопроводами, они выяснили, что несмотря на наличие более высокого отношения площади поверхности к объему теплопроводность нанопроводов вдове выше наносетки.

Ученые предполагают, что снижение теплопроводности, отмеченное в наносетке, в действительности вызвано замедлением фононов, а не их рассеиванием. Также ученые сравнили наносетку с тонкой пленкой и с похожим на сетку кремниевым листом с возможностями в 100 раз большими, чем у наносетки. Выяснилось, что и пленка, и сетка обладают в 10 раз большей теплопроводностью, чем наносетка.

Хотя электрическая проводимость наносетки осталась сопоставимой с обычным кремнием, теплопроводность понизилась до теоретического максимально низкого предела для кремния. Ученые сообщили, что могут понизить его еще больше.

«Теперь, когда у нас есть возможность замедлять фононы, почему бы не замедлить их еще более?» заметил Хит.

В настоящее время ученые экспериментируют с различными материалами и размерами отверстий, чтобы оптимизировать структуру.

«Однажды нам удастся разработать материал, в котором мы сможем не только замедлять, но и полностью исключать фононы, переносящие теплоту», сообщил Митрович в заключение. «В этом состоит наша окончательная цель».

24.09.2010