Около 90% потребляемой человечеством энергии производится при помощи тепловых машин, работающих на ископаемом топливе. Их КПД составляет 30-40%, т.е. довольно много энергии впустую рассеивается в виде тепла.
Термоэлектрические устройства могли бы преобразовывать это тепло в электричество. Также интересно их использвание для охлаждения электронных чипов.
Эффективность работы термоэлектрического материала характеризуется
добротностью ZT. При ZT>1 использование материала становится целесообразным, однако таких материалов немного. Самым распространенным является Bi
2Te
3, а наилучшие результаты были достигнуты на наноструктурах, например, сверхрешетках Bi
2Te
3/Sb
2Te
3. Производство таких структур, как, впрочем, и объемного Bi2Te3, недешево и трудно адаптируемо для крупномасштабного производства.
В номере журнала
Nature от 10 января опубликованы сразу две работы, в которых сообщается о повышенных термоэлектрических свойствах кремниевых нанопроводов. Напомним, что кремний – самый привлекательный материал для создания электронных устройств, т.к. он дешев, а его технология наиболее развита в промышленности.
Однако ранее считалось, что как раз для термоэлектрических применений кремний совершенно не подходит. Дело в том, что такие материалы должны быть хорошими проводниками, но в то же время обладать низкой теплопроводность. А теплопроводность кремния как раз очень высока вследствие большого фононного вклада.
В работе
«Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires» описываются кремниевые провода диаметром 20-300 нм (рис. 1), у которых теплопроводность понижена по сравнению с объемным кремнием. Ученые объясняют это рассеянием фононов на шероховатой поверхности проводов. Было проведено сравнение нанопроводов с гладкой поверхностью, полученных методом ПЖК, и шероховатых, полученных при помощи химического травления (рис. 2). Оказалось, что при равном диаметре теплопроводность шероховатых проводов в несколько раз ниже. Минимальная теплопроводность достигается для проводов диаметром 50 нм. Показатель ZT для них оказался равен 0.6 при комнатной температуре, что в 60 раз превосходит обычный кремний.
В работе
«Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials» исследовались массивы кремниевых проводов диаметром 20 нм. Для них ZT достигает 1 при 200 К, хотя при комнатной температуре он заметно ниже.
Таким образом, было показано, что на основе кремниевых нанопроводов могут быть изготовлены эффективные термоэлектрические устройства. Дальнейшие исследования будут направлены на понимание наблюдаемых явлений, а также на улучшение производительности кремниевых материалов.
