СЭМ-изображения образцов в этом исследовании, сделанные под углом наклона 45◦ . Изображения в левом столбце изображают набор образцов, выращенных без буферного слоя (набор A), а в правом столбце — набор образцов, выращенных с буферным слоем AlN (набор B). Номера серий: (а) D420, (b) D469, (c) D421, (d) D480, (e) D422, (f) D443, (g) D423, (h) D481.
Кредит: Расширенные материалы (2023). DOI: 10.1002/adma.202209779

Новый метод изготовления, разработанный исследователем NIST Крисом Бертнессом и ее сотрудниками, включает в себя нанесение сотен тысяч микроскопических столбцов нитрида галлия на кремниевую пластину. Затем слои кремния удаляются с нижней стороны пластины до тех пор, пока не останется только тонкий лист материала.

Взаимодействие между столбиками и кремниевым листом замедляет передачу тепла в кремнии, позволяя большему количеству тепла преобразовываться в электрический ток. Бертнесс и ее сотрудники из Университета Колорадо в Боулдере сообщили об открытии в Интернете 23 марта в Advanced Materials.

Как только метод изготовления будет усовершенствован, кремниевые листы можно будет обернуть вокруг паровых или выхлопных труб, чтобы преобразовать тепловые выбросы в электричество, которое может питать близлежащие устройства или подаваться в энергосистему. Другим потенциальным применением может быть охлаждение компьютерных чипов.

Исследование NIST-Университета Колорадо основано на любопытном явлении, впервые открытом немецким физиком Томасом Зеебеком. В начале 1820-х годов Зеебек изучал две металлические проволоки, каждая из которых была сделана из разного материала, что были соединены на обоих концах, образуя петлю.

Он заметил, что, когда два соединения, соединяющие провода, находились при разных температурах, ближайшая стрелка компаса отклонялась. Другие ученые вскоре поняли, что отклонение произошло из-за того, что разница температур индуцировала напряжение между двумя областями, заставляя ток течь от более горячей области к более холодной. Ток создавал магнитное поле, которое отклоняло стрелку компаса.

Теоретически так называемый эффект Зеебека может быть идеальным способом рециркуляции тепловой энергии, которая в противном случае была бы потеряна. Но появилось серьезное препятствие. Материал должен плохо проводить тепло, чтобы поддерживать разницу температур между двумя областями, но при этом очень хорошо проводить электричество, чтобы преобразовать тепло в значительное количество электрической энергии. Однако для большинства веществ теплопроводность и электропроводность идут рука об руку; плохой проводник тепла становится плохим проводником электричества, и наоборот.

Изучая физику термоэлектрического преобразования, теоретик Махмуд Хусейн из Университета Колорадо обнаружил, что эти свойства могут быть разделены в тонкой мембране, покрытой наностолбами — стоячими столбиками материала длиной не более нескольких миллионных долей метра, или около одной -десятая часть толщины человеческого волоса. Его открытие привело к сотрудничеству с Бертнессом.

Используя наностолбы, Бертнесс, Хусейн и их коллеги сумели отделить теплопроводность от электропроводности в кремниевом листе — впервые для любого материала и вехой в обеспечении эффективного преобразования тепла в электрическую энергию. Исследователи уменьшили теплопроводность кремниевого листа на 21%, не понизив его электропроводность и не изменив эффект Зеебека.

В кремнии и других твердых телах атомы связаны связями и не могут свободно двигаться для передачи тепла. Вследствие этого перенос тепловой энергии принимает форму фононов — движущихся коллективных колебаний атомов. И наностолбики из нитрида галлия, и кремниевый лист несут фононы, но те, что находятся внутри наностолбиков, представляют собой стоячие волны, придавленные стенками крошечных столбиков почти так же, как вибрирующая гитарная струна закреплена на обоих концах.

Взаимодействие между фононами, путешествующими по кремниевому листу, и вибрациями в наностолбах замедляет движущиеся фононы, затрудняя прохождение тепла через материал. Это снижает теплопроводность, тем самым увеличивая разницу температур от одного конца к другому. Не менее важно и то, что фононное взаимодействие совершает этот подвиг, оставляя электропроводность кремниевого листа неизменной.

В настоящее время команда работает над структурами, полностью изготовленными из кремния и с лучшей геометрией для термоэлектрической рекуперации тепла. Исследователи рассчитывают продемонстрировать достаточно высокую скорость преобразования тепла в электричество, чтобы сделать их метод экономически выгодным для промышленности.