En ny enhet som utvecklas av fysikern Yi Gu vid Washington State University skulle en dag kunna förvandla värmen som genereras av ett brett utbud av elektronik till en användbar bränslekälla.

Enheten är en multikomponent, flerskiktskompositmaterial som kallas en van der Waals Schottky-diod. Det omvandlar värme till elektricitet upp till tre gånger mer effektivt än kisel – ett halvledarmaterial som används i stor utsträckning inom elektronikindustrin. Även om man fortfarande befinner sig i ett tidigt utvecklingsstadium, den nya dioden kan så småningom ge en extra kraftkälla för allt från smartphones till bilar.

"Förmågan hos vår diod att omvandla värme till elektricitet är mycket stor jämfört med andra bulkmaterial som för närvarande används inom elektronik, sa Gu, en docent vid WSU:s institution för fysik och astronomi. "I framtiden, ett lager kan fästas på något varmt som ett bilavgassystem eller en datormotor och ett annat på en yta i rumstemperatur. Dioden skulle sedan använda värmeskillnaden mellan de två ytorna för att skapa en elektrisk ström som kan lagras i ett batteri och användas vid behov."

Gu publicerade nyligen en artikel om Schottky-dioden i The Journal of Physical Chemistry Letters .

En ny sorts diod

I elektronikens värld, Schottky-dioder används för att styra elektricitet i en specifik riktning, liknande hur en ventil i en vattenledning styr flödet av vätska som går genom den. De tillverkas genom att fästa en ledande metall som aluminium till ett halvledarmaterial som kisel.

Istället för att kombinera en vanlig metall som aluminium eller koppar med ett konventionellt halvledarmaterial som kisel, Gus diod är gjord av ett flerskikt av mikroskopiska, kristallin indiumselenid. Han och ett team av doktorander använde en enkel uppvärmningsprocess för att modifiera ett lager av Indium Selenide för att fungera som en metall och ett annat lager för att fungera som en halvledare. Forskarna använde sedan en ny typ av konfokalmikroskop utvecklat av Klar Scientific, ett nystartat företag som delvis grundades av WSU-fysikern Matthew McCluskey, att studera deras material elektroniska egenskaper.

Till skillnad från sina konventionella motsvarigheter, Gus diod har inga föroreningar eller defekter vid gränssnittet där metall- och halvledarmaterialen är sammanfogade. Den smidiga kopplingen mellan metallen och halvledaren gör att elektricitet kan färdas genom den flerskiktade enheten med nästan 100 procent effektivitet.

"När du fäster en metall på ett halvledarmaterial som kisel för att bilda en Schottky-diod, det finns alltid några defekter som uppstår i gränssnittet, sa McCluskey, en medförfattare till studien. "Dessa ofullkomligheter fångar elektroner, hindrar elflödet. Gus diod är unik genom att dess yta inte verkar ha några av dessa defekter. Detta minskar motståndet mot flödet av el, gör enheten mycket mer energieffektiv."

Nästa steg

Gu och hans medarbetare undersöker för närvarande nya metoder för att öka effektiviteten hos sina indiumselenidkristaller. De undersöker också sätt att syntetisera större mängder av materialet så att det kan utvecklas till användbara enheter.

"Medan de fortfarande var i det inledande skedet, vårt arbete representerar ett stort steg framåt inom termoelektrik, "Sa Gu. "Det kan spela en viktig roll för att förverkliga ett mer energieffektivt samhälle i framtiden."