Un fisico dell'Università del Texas a Dallas ha collaborato con Texas Instruments Inc. per progettare un modo migliore per l'elettronica di convertire il calore disperso in energia riutilizzabile.

Il progetto collaborativo ha dimostrato che la capacità del silicio di raccogliere energia dal calore può essere notevolmente aumentata pur rimanendo producibile in serie.

Dottor Mark Lee, professore e capo del Dipartimento di Fisica della Scuola di Scienze Naturali e Matematiche, è l'autore corrispondente di uno studio pubblicato il 15 luglio in Elettronica della natura che descrive i risultati. I risultati potrebbero influenzare notevolmente il modo in cui i circuiti vengono raffreddati nell'elettronica, oltre a fornire un metodo per alimentare i sensori utilizzati nella crescente "Internet delle cose".

"I sensori ora vanno ovunque. Non possono essere costantemente collegati, quindi devono consumare pochissima energia, " Lee ha detto. "Senza una fonte di luce affidabile per l'energia fotovoltaica, ti rimane bisogno di un qualche tipo di batteria, una che non dovrebbe essere sostituita."

La generazione termoelettrica è una fonte di energia altamente verde, convertire una differenza di temperatura in energia elettrica.

"In senso generale, il calore disperso è ovunque:il calore generato dal motore della tua auto, Per esempio, " Lee ha detto. "Quel calore si dissipa normalmente. Se hai una differenza di temperatura costante, anche piccola, puoi raccogliere un po' di calore in elettricità per far funzionare i tuoi dispositivi elettronici".

I sensori incorporati sotto un incrocio stradale forniscono un esempio di conveniente energia termoelettrica.

"Il calore dell'attrito dei pneumatici e della luce solare può essere raccolto perché il materiale sotto la strada è più freddo, " ha detto Lee. "Quindi nessuno deve scavare che per cambiare una batteria."

Gli ostacoli principali per la raccolta termoelettrica diffusa sono stati l'efficienza e il costo, Egli ha detto.

"La generazione termoelettrica è stata costosa, sia in termini di costo per dispositivo che di costo per watt di energia generata, "Lee ha detto. "I migliori materiali sono abbastanza esotici - sono rari o tossici - e non sono facilmente compatibili con la tecnologia dei semiconduttori di base".

Silicio, su cui si basa tanta tecnologia, è il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre. È noto fin dagli anni '50 per essere un materiale termoelettrico scadente nella sua massa, forma cristallina. Ma nel 2008 una nuova ricerca ha indicato che il silicio ha prestazioni molto migliori come nanofilo, una forma simile a un filamento con due delle sue tre dimensioni inferiori a 100 nanometri. Per confronto, un foglio di carta è circa 100, 000 nanometri di spessore.

"Nel decennio successivo a quegli esperimenti, però, gli sforzi per realizzare un utile generatore termoelettrico al silicio non hanno avuto successo, " ha detto Lee.

Una barriera è che il nanofilo è troppo piccolo per essere compatibile con i processi di produzione dei chip. Per superare questo, Lee e il suo team si sono affidati a "nanoblade":solo 80 nanometri di spessore ma più di otto volte di larghezza. Anche se è ancora molto più sottile di un foglio di carta, è compatibile con le regole di fabbricazione dei chip.

Il coautore dello studio Hal Edwards, un TI Fellow presso Texas Instruments, progettazione e supervisione della fabbricazione dei dispositivi prototipo. Si rivolse a Lee e UT Dallas per studiare ulteriormente cosa potevano fare i dispositivi.

"Un'immersione profonda per queste nuove misurazioni, analisi dettagliate e confronti bibliografici richiedono un gruppo universitario, "Ha detto Edwards. "L'analisi del professor Lee ha identificato parametri chiave in cui la nostra tecnologia al silicio a basso costo compete favorevolmente con semiconduttori composti più esotici".

Lee ha spiegato che la forma della nanolama perde alcune capacità termoelettriche rispetto al nanofilo.

"Però, usarne molti contemporaneamente può generare la stessa potenza dei migliori materiali esotici, con la stessa area e differenza di temperatura, " Egli ha detto.

La soluzione di progettazione dei circuiti del team ha combinato la comprensione della fisica su scala nanometrica con i principi dell'ingegneria. Una realizzazione chiave è stata che alcuni tentativi precedenti sono falliti perché è stato utilizzato troppo materiale.

"Quando usi troppo silicone, diminuisce il differenziale di temperatura che alimenta la generazione, " Lee ha detto. "Viene utilizzato troppo calore di scarto, e, mentre quel margine da caldo a freddo scende, non puoi generare tanta energia termoelettrica.

"C'è un punto debole che, con le nostre nanolame, siamo molto più vicini a trovare di chiunque altro. Il cambiamento nella forma del silicio studiato ha cambiato il gioco, " Ha aggiunto.

Lee ha affermato che l'avanzata tecnologia di elaborazione del silicio di Texas Instruments consente un'efficiente, produzione economica di un numero enorme di dispositivi.

"Puoi vivere con una riduzione del 40% della capacità termoelettrica rispetto ai materiali esotici perché il tuo costo per watt generato precipita, " ha detto. "Il costo marginale è un fattore 100 inferiore".

Gangyi Hu Ph.D.'19, che ha terminato il suo dottorato in fisica all'UT Dallas a maggio, è l'autore principale dello studio. Ha prodotto la modellazione al computer per determinare il numero di nanolame per unità di area che produrranno più energia senza ridurre la differenza di temperatura.

"Abbiamo ottimizzato la configurazione dei nostri dispositivi per collocarli tra i generatori termoelettrici più efficienti al mondo, " Hu ha detto. "Perché è silicio, rimane a basso costo, facile da installare, senza manutenzione, di lunga durata e potenzialmente biodegradabile."

Lee ha affermato che il lavoro è stato innovativo anche perché hanno utilizzato una linea di produzione industriale automatizzata per fabbricare i generatori termoelettrici a circuito integrato di silicio.

"Vogliamo integrare questa tecnologia con un microprocessore, con un sensore sullo stesso chip, con un amplificatore o una radio, e così via. Il nostro lavoro è stato svolto nel contesto di quella serie completa di regole che governano tutto ciò che entra nei chip per la produzione di massa, " disse Lee. "Alla Texas Instruments, questa è la differenza tra una tecnologia che possono usare e una che non possono".

Edwards ha garantito i molteplici vantaggi della collaborazione con UT Dallas, compreso il reclutamento.

"Trovo che le mie collaborazioni con il gruppo del professor Lee siano molto preziose, " ha detto Edwards. " Apprezzo anche l'opportunità di conoscere bene gli studenti, in modo che io possa aiutarli a trovare ruoli all'interno di TI. Uno dei miei più stretti colleghi di TI era il Ph.D. del professor Lee. studente durante una delle nostre precedenti collaborazioni."