Уменьшение теплопроводности в наноуровнях с использованием «Крыльев»

Кремниевые нанопроволоки стали хорошо документированным и исследованным материалом. Они обладают полупроводниковыми свойствами, а именно низкой теплопроводностью, что является полезной чертой для термоэлектрических устройств. Несмотря на низкую теплопроводность, команда исследователей из Японии попыталась еще больше уменьшить ее, применив «крылья» к кремниевым нанопроводам и создав структуру, которая известна как кремниевые нити для рыбной кости.

Силиконовые нанопроволоки, наблюдаемые с помощью электронного микроскопа. (Image credit: Roberto Lo Savio / Shutterstock)

Способность производить наноматериал с низким тепловым транспортом в последнее время приобрела много внимания, особенно в полупроводниковых нанопроводах. Полупроводниковые нанопроволки, которые обладают этими свойствами, могут быть использованы в качестве фундаментальных строительных блоков для больших термоэлектрических устройств, а оптимизация тепловых свойств – это то, что преследуют исследователи. Предполагается, что использование этих термоэлектрических устройств для термоэлектрической генерации энергии даже при криогенных температурах

Для таких устройств, которые должны быть реализованы, полупроводниковые нанопроволоки, и в частности те, которые сделаны из кремния, собрали большое внимание и изучили как основные единицы. Одна из основных причин заключается в том, что эти нанопроволоки обладают способностью подавлять теплопроводность на их поверхности путем диффузного рассеяния на любых встречающихся в них фононах. Ранее исследователи предположили, что это рассеяние может быть увеличено, а затем уменьшена теплопроводность за счет включения дополнительных ограничений на нанопровои. Теоретические расчеты показали, что использование крыльев или столбов наиболее перспективно.

. Теперь группа исследователей из нескольких учреждений в Японии применила двойной экспериментально-теоретический подход к созданию нанопроволоков из кремниевых рыбных нитей (кремниевых нанопроволоков с специально расположенными периодическими крыльями) в попытке создать нанопроволоку с еще меньшей теплопроводностью и свойства, которые соединяют как нанопроволок, так и фотонные материалы.

Исследователи создали нанопроволоки из рыбной кости, используя электронно-лучевую литографию (EBL) и ионно-ионное травление с индуктивно связанной плазмой (ICP-RIE, Oxford instruments PlasmaLab 100), на плоскость поверхности (100) кремния на изоляторе ( SOI). Литографический пучок использовался для «рисования» желаемой структуры рыбьего жира, и фактическое осаждение кремния выполнялось прибором ICP-RIE.

Исследователи классифицировали структуру с использованием сканирующей электронной микроскопии (SEM) и измеряли тепловые свойства с использованием метода терморефлексии (μ-TDTR) во временной области. Исследователи также дополняли экспериментальные измерения с помощью моделирования переноса фононов с использованием пакетов ALAMODE и Quantum Espresso для измерения динамики ангармонической решетки и констант межатомной силы кремния соответственно.

Исследователи провели эксперименты в условиях комнатной температуры и измерили теплопроводность в разных структурных точках вдоль нанопроволок. Были учтены индивидуальные структурные параметры размера шеи, глубины крыла и ширины крыла.

Исследователи обнаружили сходство между древесными и рыбными нанопроводами, поскольку поперечное сечение контролирует теплопроводность нанопровода. Однако было обнаружено, что крылья способствуют уменьшению теплопроводности нанопровода и, как оказалось, ниже, чем нанопроволока без крыльев.
Основная причина снижения теплопроводности объясняется глубиной крыла. В то время как ширина крыла влияет на теплопроводность, это не так много. Для сравнения, глубина крыла вызывает снижение теплопроводности, и это было показано более сильным в более узких нанопроводах, т. Е. Когда центральная часть шеи более тонкая.

Снижение теплопроводности в зависимости от глубины крыла объясняется захватом и обратным рассеянием фотонов в крыльях. В целом, коэффициенты теплопроводности и тепловой релаксации нанопроводов рыбной кости могут быть уменьшены на 20 и 35% соответственно по сравнению с нетронутыми нанопроводами при комнатной температуре

Исследователи также обнаружили, что нанопроволоки fishbone обладают дополнительной степенью свободы в теплопроводности по сравнению с первозданными нанопроводами. Поскольку объем шеи остается постоянным, хотя общий объем увеличивается с крыльев, отсутствует снижение электропроводности по отношению к первозданным нанопроводам. Таким образом, сочетание тепловых и электрических свойств делает эти нанопроволоки из рыбной кости перспективным кандидатом в термоэлектрических приложениях.

Источник:
«Снижение теплопроводности в кремниевых рыбальных нанопроводах» – Maire J., et al., Scientific Reports, 2018, DOI: 10.1038 / s41598-018-22509-0

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат авторам, выраженным в их личном качестве, и не обязательно представляют мнение AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого сайта. Это отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.

Source link