Elektrisk energi kan genereras från en temperaturskillnad i en krets med lämpliga material. I simuleringar, ETH Zürichs forskare visar vilka material som har störst sannolikhet att lyckas i en termoelektrisk process.

Nanotrådarna ser ut som långa pommes frites:långsträckta rektangulära kuboider mer än 300 kiselenhetsceller långa och med ett tvärsnitt 9 enhetsceller breda och 9 höga. Ledningarna är små, endast 160 nanometer lång och cirka fem nanometer i ekvivalent diameter – 10, 000 gånger tunnare än ett hårstrå. Nanotrådarna är belagda med ett atomärt tunt lager germanium, tjockleken av skiktet är endast en till två enhetsceller av halvledarmaterialet.

En kisel-germanium nanotråd med denna konstruktion är – eller snarare skulle vara – en värdig kandidat för användning inom termoelektricitet. Det enda problemet är att tills nu, den lilla halvledartråden i denna form existerar bara i Ming Hu-datorn, en postdoktor i gruppen Dimos Poulikakos, Professor i termodynamik vid Institutionen för energiteknik. Professor K. Giapis vid California Institute of Technology, USA, som tillbringade sin sabbatsledighet med Poulikakos-gruppen vid ETH Zürich, samarbetade också för att utföra forskningen som ledde till utvecklingen av denna tråd.

Effektivare nanotrådar

Termoelektricitet utnyttjar det faktum att temperatur och elektricitet under vissa förhållanden kan vara interkonvertibla. På grund av den så kallade Seebeck-effekten, en liten elektrisk spänning uppstår i en krets när en temperaturskillnad finns mellan kontaktpunkterna för två olika typer av elektriska ledare i kretsen. Dock, inte alla ledande eller halvledande material är lämpliga för generering av termoelektricitet. För att uppvisa höga omvandlingskoefficienter som gör ett material genomförbart för realistiska tillämpningar måste materialets värmeledningsförmåga vara så liten som möjligt, medan dess elektriska ledningsförmåga måste vara hög. Dimos Poulikakos säger, "Sådana material är praktiskt taget obefintliga i naturen."

Därför, Målet med forskningsprojektet var att designa ett lämpligt material som hade dessa egenskaper. Kisel överger i naturen och kan vara särskilt lämpligt i detta avseende. Även om värmeledningsförmågan hos bulkkisel är hög, denna värmeledningsförmåga försämras så snart halvledaren omvandlas till en trådliknande nanostruktur. ETH Zürich-professorn varnar dock, att "även rena kisel nanotrådar är inte tillräckligt bra för effektiv energiomvandling."

Germaniumskiktet minskar ytterligare värmeledningsförmågan

Genom datorsimuleringar, Hu Ming har nu upptäckt hur problemet kan lösas. Han visade att nanotrådar av kisel leder värme ännu sämre om de är belagda med ett atomärt tunt lager germanium, en annan halvledare. Värmeledningsförmågan minskar med 75 procent jämfört med rena kisel nanotrådar, och gör det vid rumstemperatur. Å andra sidan, när Hu lade till fler lager germanium i sin modell, värmeledningsförmågan ökade igen.

Forskarna visade att orsaken till den dramatiska minskningen av värmeledningsförmågan hos germaniumbelagda kiselnanotrådar ligger i de förändrade vibrationssätten hos fononerna som transporterar värme genom kristallgittret. Partiklarnas våglängder förkortades och komprimerades vid gränsskiktet mellan kisel och germanium, vilket blockerade värmetransporten i mycket hög grad.

Därför, forskarna drar slutsatsen att tunna nanotrådar av kisel bör beläggas med ett eller två lager germanium för att möjliggöra ett betydande steg mot att uppnå livskraftiga termoelektriska processer.

Från datorn till laboratoriet

Si/Ge nanotrådarna finns fortfarande bara i Ming Hus dator. Dock, planen är att snart tillverka dem i Poulikakos laboratorium för riktiga experiment. Termoelektriska metoder skulle kunna ge ett viktigt bidrag till alternativ energiproduktion i framtiden. Till exempel, ETH Zürich-professorn kan föreställa sig att, med hjälp av lämpliga installationer, de kan användas för att utnyttja spillvärmen från maskiner eller byggnader för att generera el, som kan lagras eller matas in i nätet. Baserat på det nuvarande kunskapsläget, man skulle kunna tänka sig apparater som levererar el till enskilda hus eller bärbar utrustning. Termoelektriska moduler, t.ex. lika stort som ett köksbord, kan också fungera som solpaneler för att generera elektrisk energi från solenergi. Dock, dessa är första tankeexperiment för tillfället. Poulikakos varnar för att "Sådana praktiska tillämpningar ligger fortfarande ganska långt in i framtiden"