Южнокорейские исследователи из Университета науки и технологий Пхохан (POSTECH) разработали новую структуру — полые кремниевые нанотрубки, которые значительно лучше удерживают тепло внутри себя. Это открывает путь к эффективному превращению отходящего тепла (от дата-центров, батарей электромобилей и заводов) в электричество с помощью обычного, дешёвого кремния.
Традиционные термоэлектрические материалы (на основе висмута и теллура) хорошо справляются с этой задачей, но они редкие, дорогие и зависят от нестабильных глобальных цепочек поставок. Кремний же дешёвый и отлично интегрируется в существующее производство чипов, но у него есть серьёзный недостаток: он слишком хорошо проводит тепло, и оно быстро «убегает», не успевая превратиться в электричество.
Почему обычный кремний плохо работает
В обычных твёрдых кремниевых нанопроволоках тепло переносится специальными квазичастицами — фононами (колебаниями атомной решётки). Эти фононы свободно перемещаются по материалу, как машины по свободной трассе, и тепло быстро рассеивается.
Чтобы термоэлектрический эффект работал эффективно, нужно, наоборот, «запереть» тепло внутри материала как можно дольше.
Как полые трубки «запирают» тепло
Команда под руководством профессора Чан-Ги Бэка (Chang-Ki Baek) и аспиранта Ки Ён Кима (Ki Yeong Kim) вместо сплошных нанопроволок создала полые кремниевые нанотрубки. Внутри таких трубок фононы не могут свободно распространяться: они попадают в «ловушки» и локализуются в определённых зонах. Энергия тепла «застревает» и не может легко уйти наружу.
В результате теплопроводность полых трубок снизилась на 70% по сравнению с обычными сплошными кремниевыми нанопроволоками. Даже когда учёные специально сравнивали структуры с одинаковой площадью поверхности, полые трубки всё равно оставались на 33% холоднее.
Важно, что эффект локализации фононов удалось получить при близкой к комнатной температуре в относительно простой структуре — раньше считалось, что такое возможно только при экстремально низких температурах или в очень сложных материалах.
Что показали эксперименты
Исследователи показали, что новая структура действительно работает. Полые кремниевые нанотрубки эффективнее удерживают тепло, что критично для термоэлектрических генераторов, превращающих разницу температур в электричество.
Поскольку материал основан на кремнии, его можно относительно легко интегрировать в существующие линии производства полупроводников. Это значительно снижает стоимость и упрощает масштабирование по сравнению с материалами на основе редких металлов.
Отходящее тепло — это огромный неиспользуемый ресурс. Дата-центры, электромобили, заводы и энергетические установки теряют огромное количество энергии в виде тепла. Если его удастся эффективно превращать обратно в электричество с помощью дешёвых и масштабируемых материалов, это даст серьёзный экономический и экологический эффект.
Новая разработка POSTECH показывает, что даже с обычным кремнием можно добиться хороших результатов, если правильно управлять поведением тепла на наноуровне.
Работа опубликована в журнале Nano Energy.
