En fysiker vid University of Texas i Dallas har samarbetat med Texas Instruments Inc. för att utforma ett bättre sätt för elektronik att omvandla spillvärme till återanvändbar energi.

Samarbetsprojektet visade att kisels förmåga att skörda energi från värme kan ökas kraftigt samtidigt som den förblir massproducerbar.

Dr Mark Lee, professor och chef för institutionen för fysik vid naturvetenskapliga och matematiska institutionen, är motsvarande författare till en studie publicerad 15 juli i Nature Electronics som beskriver resultaten. Fynden kan i hög grad påverka hur kretsar kyls i elektronik, samt tillhandahålla en metod för att driva sensorerna som används i det växande "sakernas internet".

"Sensorer går överallt nu. De kan inte ständigt anslutas, så de måste konsumera väldigt lite ström, "Sa Lee." Utan en tillförlitlig ljuskälla för solceller, du behöver ett slags batteri - ett som inte behöver bytas ut. "

Termoelektrisk generation är en mycket grön energikälla, omvandla en temperaturskillnad till elektrisk energi.

"I allmän mening, spillvärme finns överallt:värmen din bilmotor genererar, till exempel, "Sa Lee." Den värmen försvinner normalt. Om du har en konstant temperaturskillnad - även en liten - kan du skörda lite värme till el för att driva din elektronik. "

Sensorer inbäddade under en trafikkorsning ger ett exempel på bekväm termoelektrisk effekt.

"Värmen från däckens friktion och från solljus kan skördas eftersom materialet under vägen är kallare, "Sa Lee." Så ingen behöver gräva upp det för att byta batteri. "

De främsta hindren för utbredd termoelektrisk skörd har varit effektivitet och kostnad, han sa.

"Termoelektrisk generation har varit dyr, både när det gäller kostnad per enhet och kostnad per watt genererad energi, "Lee sa." De bästa materialen är ganska exotiska - de är antingen sällsynta eller giftiga - och de görs inte lätt kompatibla med grundläggande halvledarteknik. "

Kisel, som så mycket teknik bygger på, är det näst vanligaste elementet i jordskorpan. Det har varit känt sedan 1950 -talet att vara ett dåligt termoelektriskt material i sin bulk, kristallin form. Men 2008, ny forskning visade att kisel presterade mycket bättre som en nanotråd - en filamentliknande form med två av dess tre dimensioner mindre än 100 nanometer. För jämförelse, ett pappersark är cirka 100, 000 nanometer tjock.

"Under decenniet sedan dessa experiment, dock, ansträngningarna att göra en användbar termoelektrisk generator av kisel har inte lyckats, "Sa Lee.

En barriär är att nanotråden är för liten för att vara kompatibel med processer för tillverkning av chip. För att övervinna detta, Lee och hans team förlitade sig på "nanoblades" - bara 80 nanometer tjocka men mer än åtta gånger bredare. Även om det fortfarande är mycket tunnare än ett pappersark, det är kompatibelt med regler för tillverkning av chip.

Studera medförfattare Hal Edwards, en TI -stipendiat på Texas Instruments, designat och övervakat tillverkning av prototypenheter. Han vände sig till Lee och UT Dallas för att ytterligare studera vad enheterna kan göra.

"En djupdykning för dessa nya mätningar, detaljerad analys och litteraturjämförelser kräver en universitetsgrupp, "Edwards sa." Professor Lees analys identifierade viktiga mätvärden där vår billiga kiselteknologi konkurrerar positivt med mer exotiska halvledare. "

Lee förklarade att nanobladeformen förlorar viss termoelektrisk förmåga i förhållande till nanotråden.

"Dock, att använda många samtidigt kan generera ungefär lika mycket kraft som de bästa exotiska materialen, med samma yta och temperaturskillnad, " han sa.

Teamets kretsdesignlösning kombinerade förståelse för nanoskala fysik med tekniska principer. En viktig insikt var att vissa tidigare försök misslyckades eftersom för mycket material användes.

"När du använder för mycket kisel, temperaturskillnaden som matar generationen sjunker, "Sa Lee." För mycket spillvärme används, och, när den varma till kalla marginalen sjunker, du kan inte generera så mycket termoelektrisk effekt.

"Det finns en söt plats som med våra nanoblades, vi är mycket närmare att hitta än någon annan. Förändringen i form av kisel som studerades förändrade spelet, " han lade till.

Lee sa att den avancerade kiselbearbetningstekniken på Texas Instruments möjliggör effektiv, billig tillverkning av ett stort antal enheter.

"Du kan leva med en 40% minskning av termoelektrisk förmåga i förhållande till exotiska material eftersom din kostnad per watt genererar sjunker, "sade han." Marginalkostnaden är en faktor 100 lägre. "

Gangyi Hu Ph.D.'19, som avslutade sin doktorsexamen i fysik vid UT Dallas i maj, är studiens huvudförfattare. Han producerade datormodelleringen för att bestämma antalet nanoblades per ytenhet som kommer att producera mest energi utan att minska temperaturskillnaden.

"Vi optimerade konfigurationen av våra enheter för att placera dem bland de mest effektiva termoelektriska generatorerna i världen, "Hu sa." Eftersom det är kisel, det är fortfarande billigt, lätt att installera, underhållsfri, långvarig och potentiellt biologiskt nedbrytbar. "

Lee sa att arbetet också var nytt eftersom de använde en automatiserad industriell tillverkningslinje för att tillverka de termoelektriska generatorerna med integrerad krets.

"Vi vill integrera denna teknik med en mikroprocessor, med en sensor på samma chip, med en förstärkare eller radio, och så vidare. Vårt arbete utfördes inom ramen för den fullständiga uppsättningen regler som styr allt som går in i massproducerande marker, "Sa Lee." Över på Texas Instruments, det är skillnaden mellan en teknik de kan använda och en som de inte kan. "

Edwards garanterade de många fördelarna med att samarbeta med UT Dallas, inklusive rekrytering.

"Jag tycker att mina samarbeten med professor Lees grupp är mycket värdefulla, "Edwards sa." Jag uppskattar också möjligheten att lära känna eleverna väl, så att jag kan hjälpa dem att hitta roller inom TI. En av mina nära TI -kollegor var professor Lee's Ph.D. student under ett av våra tidigare samarbeten. "