Elektroniska enheter utvecklar ofta "hot spots" som kan bli skadliga för prestandan. Mycket forskning har fokuserat på att utveckla metoder för att kyla systemet, eller, ännu bättre, omvandla överskottsvärmen till elektricitet genom att utnyttja den termoelektriska effekten - där en termisk gradient inducerar rörelse av laddningsbärare. Dock, tidigare försök att bygga generatorer på chipnivå har misslyckats eftersom de inbyggda materialen inte var kompatibla med den teknik som användes för att konstruera integrerade kretsar, såsom komplementära metalloxidhalvledare (CMOS).

Navab Singh och medarbetare vid A*STAR Institute of Microelectronics och National University of Singapore1 har nu skapat en termoelektrisk generator i nanoskala (TEG) med hjälp av nanotrådsuppsättningar av kisel. Kisel, som är kompatibel med basmaterialen i CMOS, hade tidigare rabatterats på grund av dess dåliga prestanda som generator i bulkform, men det har visat sig mycket mer effektivt på nanoskala.

"Nanotrådar av kisel har mycket bättre termoelektriska egenskaper än modermaterialet, eftersom de har mycket lägre värmeledningsförmåga, ” förklarar Singh. "Också, Det finns redan den senaste utrustningen för bearbetning av kisel. Därför, om termoelektriska kylare och energiskördare kan tillverkas med nanotrådar av kisel, de kan vara billiga, skalbar, högeffektiva enheter."

Forskarna konstruerade sin TEG genom att koppla ihop två olika metallplattor med hjälp av vertikala ben gjorda av omväxlande knippen av nanotrådar av n-typ kisel, där överskott av elektroner bär laddningen, och nanotrådar av p-typ, där laddningsbärarna är "hål" orsakade av saknade elektroner (se bild). Enligt Singh, den största utmaningen var att ansluta nanotrådarna till metallplattorna för att möjliggöra en kontakt med låg resistivitet och ge optimal termoelektrisk prestanda. Att göra så, de anpassade etablerade tekniker från CMOS-tillverkning. "Men högt kontaktmotstånd på trådtopparna är fortfarande ett problem och vår design behöver ytterligare förbättringar, säger Singh.

Som en elektrisk generator, en TEG kan användas för att "självförsörja" en del av en elektronisk krets. "Vidare, de kan användas för att generera ström och komplettera batterier i de flesta system med hög värmeflöde som bilar, halvledarlasrar och fotodetektorer, ” föreslår Singh. De kan också tillhandahålla en effektiv, lågkostnads ​​kylsystem för att ta bort hot spots.

Singh tror att TEG i nanoskala också kan användas inom medicinsk vetenskap för att driva implantat i människokroppen:"En termoelektrisk nanotrådsgenerator passar perfekt. De kan skalas till lämplig storlek och eftersom de saknar rörliga delar, de är pålitliga och kan sträcka sig över patientens livstid. Energi kunde sedan utvinnas med hjälp av temperaturgradienten mellan kroppen och miljön.”