Miniatyriserade halvledarenheter med energiinsamlingsfunktioner har banat väg för bärbara teknologier och sensorer. Även om termoelektriska system har attraktiva egenskaper i detta sammanhang, förmågan att upprätthålla stora temperaturskillnader över enhetsterminaler förblir allt svårare att uppnå med accelererade trender i enhetsminiatyrisering. Som ett resultat, en grupp forskare inom tillämpad vetenskap och ingenjörsvetenskap har utvecklat och demonstrerat ett förslag på en arkitektonisk lösning på problemet där konstruerade tunnfilmsaktiva material integreras i flexibla tredimensionella (3-D) former.

Tillvägagångssättet möjliggjorde effektiv termisk impedansmatchning, och multiplicerat värmeflöde genom skördaren för att öka effektiv kraftomvandling. I studien utförd av Kewang Nan och kollegor, sammankopplade arrayer av 3-D termoelektriska spolar byggdes med mikroskala band av det aktiva materialet monokristallint kisel för att demonstrera de föreslagna koncepten. Kvantitativa mätningar och simuleringar utfördes därefter för att fastställa strategins grundläggande funktionsprinciper och nyckeldesignegenskaper. Resultaten, nu publicerad på Vetenskapens framsteg , föreslog en skalbar strategi för att distribuera hårda termoelektriska tunnfilmer inom energiskördare som effektivt kan integreras med mjuka materialsystem inklusive mänsklig vävnad för att utveckla bärbara sensorer i framtiden.

Termoelektriska enheter ger en plattform för att införliva allestädes närvarande termiska gradienter som genererar elektrisk kraft. För att använda bärbara sensorer eller "Internet of Things"-enheter, temperaturgradienten mellan den omgivande miljön och människokroppen/levande föremål bör ge småskalig strömförsörjning. Fortsatta framsteg inom området fokuserar på aggressiv nedskalning av effektkraven för miniatyriserade system för att öka deras potential i termoelektriska och energiskördande tillämpningar. Integrerade processorer och radiosändare kan till exempel arbeta med effekt inom området subnanowatt, några nya exempel drivs av omgivande ljusbaserad energiskörd och endokokleär potential. Sådana plattformar kan paras ihop med sensorer med liknande effekt för att möjliggöra distribuerade, kontinuerlig och distanserad miljö/biokemisk övervakning.

Två viktiga utmaningar i utvecklingen av miniatyriserade termoelektriska skördare inkluderar matchning av den erforderliga termiska impedansen och mekaniska följsamheten hos de aktiva materialen för att integreras i biologiska system. Ett välutvecklat system för enhetsflexibilitet inkluderar att kombinera tunnfilmspolymerer med metallfolier såsom trådar eller band. I studien, Nan et al föreslår och demonstrerar en lösning genom att utveckla ett tvådimensionellt (2-D) prekursorsystem i utvecklingen av funktionella 3-D spiralspolar. Spolarnas naturligt flexibla karaktär gjorde det möjligt för systemen att anpassa sig till komplexa biologiska ytor, även de som är dynamiska med tiden, för att säkerställa utmärkt termisk kontakt med värmekällan. Vidare, systemets 3D-karaktär gav en mångfaldig ökning av ytan för högre värmeväxlingskapacitet för att ge maximal effekt.

Den termoelektriska spiralformade spolarkitekturen tillverkades med användning av monokristallint kisel som det aktiva materialet. Den mekaniskt styrda enheten genererade 3-D spiralformade strukturer från 2-D serpentiner via kompressiv buckling. Serpentinerna inkorporerade kiselband med segment av p- och n-typ, och systemet var inkapslat på toppen och botten med polymerbeläggningar. Arkitekturen möjliggjorde transformation av systemet från 2-D till 3-D under driftsättning och användning. Även om det är kraftigt dopat med kisel, 3D-spolarna kunde ge anmärkningsvärda nivåer av mekanisk följsamhet och robusthet under hanterings- och bockningsapplikationer. Sammansättningen avvek inte nämnvärt från den geometri som förutspåtts med användning av finita elementanalys (FEA). Sådana materialegenskaper gjorde systemet väl lämpat för att bilda intima termiska gränssnitt till människokroppen, såsom handleden eller anklarna.

För att förbättra 3D-spolarnas mekaniska och termiska egenskaper, forskarna använde FEA-mjukvara för beräkningsstyrd optimering av den resulterande enheten. I princip, enhetens 3D-arkitektur var fördelaktig för effektiv skörd. Därför, genom design, det 3-D spiralformade spolsystemet inkluderade en avsmalnande geometri som ökade i bredd mot toppen som konstruerats med FEA för att optimera termiska och mekaniska svar. Designschemat i studien förbättrades specifikt för skörd i miniatyrenheter. Ökad kylkapacitet hos enhetens design hade större fördelar för att kontrastera eventuella förluster på grund av parasitiska värmeflöden i systemet.

Nan et al, utförde också mekaniska följsamhetstester på enheterna för att förstå deras förmåga att uthärda betydande böjningar, sträckning i planet och kompression utanför planet, som med tidigare rapporter. 3D-strukturerna kunde sträckas med upp till 60 procent i riktning i planet under hundra cykler och vertikalt komprimeras upp till 30 procent, med minimal försämring av elektriska egenskaper. Enheterna visade exceptionell mekanisk följsamhet som förutspåtts av FEA. Enaxlig sträckning över 200 cykler resulterade inte i elektriskt eller mekaniskt fel. 3D-spolen visade motståndskraft med potential för gränssnittsintegration i miniatyrenheter.

Effektprojektioner för skördeanordningarna karakteriserades också för att visa konsekventa resultat i linje med designförväntningarna. Anordningens öppen kretsspänning minskade inte över tiden i mätningarna, vilket indikerar att anordningens termiska profil var i ett stabilt tillstånd. I studien, författarna skapade en färdplan för kraftförbättring och ett tillverkningsschema för att konstruera energiskördande enheter med andra material än kisel – inklusive organiska varianter.

Författarna rekommenderar ytterligare forskning om deponeringsmetoder, dopning och mönstring för organiska och kompositmaterial. Materialen bör inte ge efter för elektriskt motstånd under mekanisk transformation från 2-D till 3-D. Med kisel som användes i studien, en trefaldig ökning av motståndet observerades under transformationen potentiellt på grund av elektrodkontakt, enhetsförsämring eller plastisk deformation i vissa delar av enheten. Studien representerar en lovande strategi för att integrera tunnfilmsmaterial i skördare med mjuka materialsystem (inklusive mänsklig hud) för att realisera energioptimerade bärbara elektroniska enheter i framtiden.

© 2018 Science X Network