En forskargrupp ledd av Joe Feser vid avdelningen för maskinteknik vid University of Delaware har utvecklat en ny metod för att simulera värmeöverföring i nanoskala i material.
Termoelektriska material, som direkt och reversibelt kan omvandla värme till elektrisk energi, används i en mängd olika applikationer, inklusive kylning av elektroniska enheter och energiomvandling av spillvärme.
En ihållande utmaning förknippad med termoelektriska material är effektivitet - om de kunde utformas för att mer effektivt omvandla värme till elektricitet, dörren skulle öppnas för en lång rad praktiska tillämpningar.
För att göra dem mer effektiva, materialen måste fungera som en värmeisolator samtidigt som de elektroniskt beter sig som en ledare – en egenskap som inte ofta finns i naturmaterial.
En forskargrupp ledd av Joe Feser, biträdande professor vid avdelningen för maskinteknik vid University of Delaware, undersöker gränserna för värmetransport med hjälp av en uppsättning nya verktyg för termisk mätning och simulering i nanoskala, med ett öga mot att skapa material som är mer termoelektriskt effektiva.
En vanlig strategi som hans grupp använder är användningen av nanopartiklar för att sprida värmebärande vibrationer, känd som fononer. Teamet utvecklar verktyg för att studera fononspridning så att storleken, form, och sammansättningen av nanopartiklar kan optimeras för termoelektriska tillämpningar.
Spridda fononer från en atomistisk simulering av germaniumnanopartiklar inbäddade i en kiselhalvledare. Det tunga germaniumet sprider kraftigt inkommande vågor från kisel, men är så tung att dess atomer knappt rör sig. Mjukvaran kan simulera ett oändligt stort kiselområde genom att absorbera energin från de utgående vågorna i en tunn låda på ytterkanten av simuleringen som kallas ett "perfekt matchat lager" (markerat med prickade linjer) som fungerar som en svamp -- absorberar energi utan att reflektera den tillbaka mot nanopartikeln.
Feser och doktoranden Rohit Kakodkar rapporterade nyligen om ett nytt förhållningssätt till det problemet i en uppsats, "Ett ramverk för att lösa atomistiska fononstrukturspridningsproblem i frekvensdomänen med hjälp av perfekt matchade lagergränser, "i Journal of Applied Physics .
Det nya ramverket minskar avsevärt mängden beräkningskraft som behövs för att simulera fononspridning och ökar avsevärt den maximala storleken på de system som kan studeras med hjälp av datorer.
Feser förklarar att kontinuummekaniska modeller—som, för effektivitetens skull, ignorera det faktum att materia består av atomer – traditionellt används för att förklara fenomen som fononspridning. Dock, medan detta tillvägagångssätt är tillräckligt exakt på längdskalor större än avståndet mellan atomer, det kanske inte är effektivt för att karakterisera beteendet hos vågor i nanometerlängd, som ofta är de våglängder som är involverade i värmetransport.
Den uppenbara lösningen är att ha simuleringar som inkluderar en ekvation för varje enskild atom och spårar beteendet över en längre tidsperiod, men det är där beräkningsloggen uppstår. Traditionella tekniker som molekylär dynamik är för långsamma för att simulera spridning för varje värmebärande vibration separat, och andra befintliga tekniker är begränsade i sin förmåga att simulera stora system.
Den atomistiska modellen som utvecklats av Feser och Kakodkar kan lösa ett stort antal atomer åt gången. "Det vi har gjort är att ta bort den onödiga fysiken och bädda in fakta vi redan vet om lösningarna i lösningsproceduren, " säger Feser.
En annan viktig användning för det nya verktyget är att det har gjort det möjligt för forskare att lösa långvariga kontroverser om hur man beskriver fysiken hos fononer som möter gränssnitt – det vill säga, om de reser över koherent eller sprider sig diffust – och särskilt hur oordning ändrar det. Ramverket har också fördelen att det kan skalas upp för användning med superdatorer, som ser ökad användning för komplexa simuleringar.
I sista hand, målet är att ha exakt kontroll över utformningen av nya material på nivån av deras minsta beståndsdelar.
"Designen av nya material som tänjer på gränserna för uppnåbara transportegenskaper - dvs. värmeledningsförmåga, gränssnittskonduktans, värmekapacitet, och termoelektrisk effektfaktor – kommer att möjliggöra utvecklingen av ny enhetsteknologi baserad på dessa material, " säger Feser.
