گروهی از محققان سوئیسی در شبیهسازیهای خود نشان دادهاند که ایجاد یک لایه روکش بسیار نازک روی نانوسیمها بهره تولید الکتریسیته با استفاده از فرایند ترموالکتریسیته را افزایش میدهد.
استفاده از نانوروکشها در افزایش راندمان ترموالکتریسیته
میتوان با بهرهگیری از مواد مناسب و با استفاده از اختلاف دما در یک مدار، انرژی الکتریکی تولید کرد. به این فرایند ترموالکتریک گفته میشود. محققان دانشگاه ETH زوریخ در شبیهسازیهای خود نشان دادهاند که احتمال موفقیت کدام ماده در فرایند ترموالکتریک بیشتر است. آنها دریافتند که ایجاد یک لایه روکش بسیار نازک روی نانوسیمها بهره تولید الکتریسیته با استفاده از این فرایند را افزایش میدهد.
نانوسیمهای سیلیکونی که توسط این محققان مطالعه شدند، دارای طول ۱۶۰ نانومتر (۳۰۰ سلول واحد سیلیکونی) و قطر حدود ۵ نانومتر (۹ سلول واحد سیلیکونی) بودند. روی این نانوسیمها با یک لایه از اتمهای ژرمانیوم به صخامت یک اتم (یک تا دو واحد سلولی از ماده نیمه رسانا) پوشانده شد.
یک نانوسیم سیلیکون- ژرمانیوم با این ساختار یک کاندیدای ارزشمند برای استفاده در ترموالکتریسیته محسوب میشود. مشکلی که وجود دارد این است که این سیم کوچک نیمهرسانا تنها درون رایانه مینگ هو، همکار فوق دکترا در گروه پروفسور دیموس پولیکاکوس در موسسه فناوری انرژی وجود دارد و هنوز تولید نشده است.
دما و الکتریسیته تحت شرایط خاصی میتوانند به هم تبدیل شود و ترموالکتریسیته از این واقعیت بهره میبرد. زمانی که یک اختلاف دما در نقطه تماس میان دو ماده متفاوت در یک مدار وجود داشته باشد، در اثر پدیدهای به نام اثر Seebeck یک اختلاف پتانسیل کوچک در این مدار ایجاد میشود. با این حال هر ماده رسانا یا نیمهرسانایی برای تولید ترموالکتریسیته مناسب نیست. برای اینکه راندمان این فرایند افزایش یابد، باید رسانایی حرارتی ماده تا حد امکان پایین و رسانایی الکتریکی آن تا حد امکان بالا باشد. پولیکاکوس میگوید: «چنین مادهای عملاً در طبیعت وجود ندارد».
بنابراین هدف این پروژه تحقیقاتی، طراحی یک ماده مناسب است که این ویژگیها را داشته باشد. سیلیکون به مقدار زیادی در طبیعت وجود داشته و میتواند برای این کار مناسب باشد. با وجودی که رسانایی حرارتی سیلیکون تودهای بالاست، به محض اینکه این ماده به شکل سیمهای بسیار باریک درمیآید، این رسانایی به شدت کاهش مییابد. استاد ETH زوریخ توضیح میدهد که «با این حال نانوسیمهای خالص سیلیکون برای این نوع تبدیل انرژی به حد کافی خوب نیستند».
کاهش رسانایی حرارتی با استفاده از لایه ژرمانیوم
حال مینگ هو با استفاده از شبیهسازی رایانهای دریافته است که چگونه میتوان این مشکل را حل کرد. او نشان داده است که روکشدهی نانوسیمهای سیلیکونی با یک لایه تکاتمی از ژرمانیوم میتواند رسانایی حرارتی این نانوسیمها را تا حد زیادی کاهش دهد. شبیهسازیهای وی نشان داد که رسانایی حرارتی این نانوسیمها در دمای اتاق در اثر روکشدار شدن با تکلایه ژرمانیوم تا ۷۵ درصد کاهش مییابد. از سوی دیگر با افزایش تعداد لایههای روکش ژرمانیومی، رسانایی حرارتی نانوسیمها دوباره افزایش مییابد.
جزئیات این تحقیق در مجله Nano letters منتشر شده است.
