Effektiviteten är stor i den lilla världen av termoelektriska nanotrådar. Forskare vid Sandia National Laboratories säger att bättre material och tillverkningstekniker för nanotrådarna kan göra det möjligt för biltillverkare att hämta kraft från värmen som slösas bort av avgassystem eller leda till mer effektiva enheter för att kyla datorchips.

Sandia-forskare publicerade en artikel, "Att använda galvanostatisk elektroformning av Bi _1-x Sb _x Nanotrådar för att kontrollera sammansättning, Kristallinitet och orientering, " i den 28 januari upplagan av Materials Research Society's MRS Bulletin. Författarna är W. Graham Yelton, Steven J. Limmer, Douglas L. Medlin, Michael P. Siegal, Michelle Hekmaty, Jessica L. Lensch-Falk, Kristopher Erickson och Jamin Pillars.

Arbetet var första gången forskare lyckades kontrollera kristallorientering, kristallstorlek och legeringslikformighet genom en enda process. Alla tre faktorerna bidrar till bättre termoelektrisk prestanda, sa Yelton.

"De tre tillsammans betyder en enorm vinst, och det är svårt att göra, " sa han. "Det är att vrida på rattarna för att få dessa saker att fungera."

Bättre nanotrådsgeometrier kan minska värmeledningsförmågan och förbättra vad som kallas den termoelektriska meritfiguren, ett mått på ett materials elektriska och termiska ledningsförmåga. Ju högre elektrisk ledningsförmåga och desto lägre värmeledningsförmåga, ju högre förtjänstsiffra och, därför, desto effektivare är materialet. Dock, kvaliteten på tidigare termoelektriska nanotrådar visade sig vara otillräcklig.

Termoelektrisk nanotrådsanvändning i sin linda

Trots deras ineffektivitet, vissa termoelektriska material används redan. Yelton jämför deras utvecklingsstadium med de tidiga dagarna av solcellsceller:Alla såg potentialen, men de var så ineffektiva att de bara användes när inget annat fungerade.

Förbättrad effektivitet i nanotrådar skulle öka användningen av termoelektriska material. De används redan i vissa sensorer, och fordonstillverkarna hoppas att de kan skörda värme från avgassystem för att driva fordonssensorsystem, sa Yelton. Att minska strömmen som behövs för att driva ett fordons operativsystem kan minska batteri- och generatorvikten och kanske eliminera en del kraftgenererande utrustning, trimning av fordonets storlek och vikt.

Sandias papper beskriver hur teamet skapade termoelektriska nanotrådar med enhetlig sammansättning längs nanotrådens längd och över spridningen av nanotrådsuppsättningen, som potentiellt kan omfatta hundratals miljoner nanotrådar. Dessutom, de skapade nanotrådskristaller av enhetlig storlek och orientering, eller riktning. Enhetlig sammansättning förbättrar effektiviteten, medan orientering är viktig så elektroner, energibärare, flyta bättre.

Teamet använde en kostnadseffektiv metod som kallas rumstemperaturelektroformning, som är utbredd inom kommersiell galvanisering. Elektroformning avsätter materialet med en konstant hastighet, vilket i sin tur tillåter nanotrådar att växa i en stadig takt. Metoden gav ledningar med en diameter på 70-75 nanometer och många mikron långa.

Yelton använde pulser av kontrollerad ström för att avsätta det termoelektriska materialet, därigenom kontrollerar sammansättningen genom hela tråden och matrisen. "Det finns små nyanser i tekniken som jag gör för att tillåta orienteringen, kristalltillväxten och sammansättningen som ska hållas inom ett ganska snävt område, " han sa.

Tekniken tillät kontroll över viktiga aspekter av nanotrådbildning

Metoden gav en ganska stor, lätt vriden kristallin trådstruktur som var nästan en enkristall och hade den önskade orienteringen. "Utan det, du kunde inte få bra effektivitet, " sa Yelton.

Materialets kemi är också viktig. För Sandia-teamet, antimonsalter spelar en stor roll för kristallin kvalitet och orientering. Vismut-antimon (Bi-Sb)-legeringar har några av de högsta termoelektriska prestandorna - fungerar både som en ledare av elektricitet och en isolator mot värme - bland många material för applikationer nära rumstemperatur. Men befintliga Bi-Sb-material producerar inte effektiv kylning i fast tillstånd när ström ständigt levereras till enheten som kyls, som en dator.

Sandia-teamet ville ha en förening som betedde sig som en metall men som inte skulle leda värme. Att legera antimon med vismut passar till räkningen, sa Yelton. Bi-Sb nanotrådarrayer elektroformade med en antimon-jodid-baserad kemi saknade de nödvändiga egenskaperna, men arrayer elektroformade från en antimonkloridbaserad kemi producerade kristallografi och orientering för maximal termoelektrisk prestanda.

"Kemin tillät oss att gå från polynano-kristallin struktur till nära enkristaller på 2-5 mikrometer, "ge bättre kontroll över enhetlighet, sa Yelton.

Nästa steg:skapa en elektrisk kontakt

Nästa steg är mer utmanande:att skapa en elektrisk kontakt och studera det resulterande termoelektriska beteendet.

"Termoelektriska material bildar lätt oxider eller intermetalliska material, leder till dåliga kontaktanslutningar eller högre elektrisk kontaktresistans. Det minskar de vinster som uppnås med att utveckla materialen, " sa Yelton.

Medan Sandia-teamet har kunnat få bra kontakt i botten av en grupp, Det har visat sig vara svårt att skapa en koppling på toppen, han sa.

"Att ta en kontakt och mäta arrayprestanda är inte trivialt, " sa Yelton.

Han och hans kollegor söker ytterligare finansiering för att lösa problemet med att framgångsrikt knyta kontakter, och sedan för att karakterisera de termiska elektriska egenskaperna hos arrayer. "Om det lyckas på laboratoriet, vi skulle försöka hitta en branschsamarbetspartner för att mogna idén, " han sa.