• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Fraktaler hjälper ansträngningar att förstå värmetransport i nanoskala

    Forskare har för första gången använt en modern teori om värmetransport i experiment med halvledare som används i datorer, lasrar och termoelektrik. Den vänstra bilden visar en återgivning av värmespridning i en halvledare med hjälp av den moderna transportteorin. Bilden till höger visar en återgivning med den konventionella värmetransportteorin. Kredit:Purdue University bild/ Bjorn Vermeersch och Ali Shakouri

    Forskare har för första gången tillämpat en modern teori om värmetransport i experiment med halvledare som används i datorer och lasrar, med konsekvenser för utformningen av enheter som omvandlar spillvärme till elektricitet och kontroll av överhettning i miniatyriserade och höghastighets elektroniska komponenter.

    I mer än ett sekel har värmetransport i fasta ämnen beskrivits i termer av den slumpmässiga kaotiska rörelsen av "energibärare" som liknar en mjölkdroppe som sprids i kaffe och gradvis överför värme från varmare till kallare områden. Dock, över de små avstånden på några nanometer uppför sig rörelsen av termisk energi annorlunda och liknar strukturen hos fraktaler, som är uppbyggda av mönster som upprepar sig i mindre skalor i det oändliga.

    "När vi tittar på problemet med värmetransport är det förvånande att teorin vi använder går tillbaka till Fourier, som var för 200 år sedan, och han utvecklade den för att förklara hur jordens temperatur förändras, sa Ali Shakouri, Purdue Universitys Mary Jo och Robert L. Kirk Direktör för Birck Nanotechnology Center och professor i elektro- och datorteknik. "Dock, vi använder fortfarande samma teori i den minsta skalan, säg tiotals nanometer, och den snabbaste tidsskalan på hundratals pikosekunder."

    Ett team från Purdue och University of California, Santa Barbara, har tillämpat en teori baserad på matematikern Paul Lévys arbete på 1930-talet, i experiment med halvledaren indiumgalliumaluminiumarsenid, som används i höghastighetstransistorer och lasrar.

    "Det arbete vi har gjort är att tillämpa Lévys teori för första gången på värmetransport i faktiska materialexperimentarbeten, sa Shakouri.

    Resultaten kommer att presenteras i december under Materials Research Society höstmöte i Boston. Resultaten beskrevs i en forskningsartikel som publicerades i juli i tidskriften Nanobokstäver och presenteras som en cover story.

    Forskningen har visat att införande av nanopartiklar gjorda av legeringen erbiumarsenid avsevärt minskar värmeledningsförmågan och fördubblar den termoelektriska effektiviteten hos halvledaren. Potentiella applikationer inkluderar system för att skörda spillvärme i fordon och kraftverk.

    "Till exempel, två tredjedelar av den energi som genereras i en bil går till spillo som värme, "Sade Shakouri. "Även våra bästa kraftverk slösar bort hälften eller två tredjedelar av sin energi som värme, och att värme kunde omvandlas till elektricitet med termoelektrik."

    Termoelektriska enheter genererar elektricitet från värme, och deras prestanda beror på att de har en uttalad temperaturskillnad - eller gradient - från ena sidan av enheten till den andra sidan. Att ha lägre värmeledningsförmåga bevarar en större temperaturgradient, förbättra prestanda

    Nanopartiklarna gör att materialets värmeledningsförmåga sjunker trefaldigt utan att den fraktala dimensionen ändras. Energibärarna - kvasipartiklar som kallas fononer - sägs genomgå "kvasiballistisk" rörelse, vilket innebär att de transporteras utan att kollidera med många andra partiklar, vilket får värmen att leda med "superdiffusion". Tillvägagångssättet efterliknar effekten av "Lévy glasögon, " material som innehåller sfärer av glas som ändrar diffusionen av ljus som passerar igenom. Samma princip kan användas för att designa halvledare som sprider värme annorlunda än konventionella material. Förutom termoelektrik, tillvägagångssättet skulle kunna användas för att minska uppvärmningen i elektroniken och förbättra prestandan för höghastighetsenheter och högeffektlasrar.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com