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L'Étude Neuve Affiche des Débits calorifiques Comme des Ondes dans Nanostructures

Published on November 16, 2012 at 7:04 AM

Des dispositifs Thermoélectriques, qui peuvent armer des différences de la température pour produire l'électricité, pourraient être effectués à grâce plus efficace à la recherche neuve sur le bouturage de la chaleur par des super-réseaux appelés de structures.

La recherche Neuve affiche que cela chaleur-qui transporte des quasi-particules mettez à jour les propriétés onduleuses dans les nanostructures. (Image : Adam Jandl et Maria Luckyanova)

Les découvertes neuves affichent, inopinément, que la chaleur peut se déplacer comme des ondes, plutôt que des particules, par ces nanostructures : matériaux composés des couches seulement quelques milliardièmes d'un compteur dans l'épaisseur.

La Chaleur - la vibration des atomes et des molécules dans un matériau - se déplace habituellement dans « une marche aléatoire, » il est difficile régler que. Les observations neuves affichent une configuration très différente, le flux logique appelé, qui est plutôt les ondulations qui déménagent en travers d'un étang d'une voie ordonnée.

Ceci ouvre la possibilité de matériaux neufs en lesquels le flux de la chaleur pourrait être avec précision réglé - les matériaux qui pourraient avoir des applications importantes. Par exemple, une telle recherche pourrait mener aux voies neuves de jeter la chaleur produite par des appareils électroniques et des lasers de semi-conducteur, qui entrave la performance et peut même détruire les dispositifs.

Les travaux récents, à côté de l'étudiant de troisième cycle Maria Luckyanova, du postdoc Jivtesh Garg et du professeur Bande Chen, tout le Service du MIT de l'Industrie Mécanique - avec d'autres élèves et professeurs au MIT, à l'Université de Boston, à l'Institut de Technologie de la Californie et à l'Université de Boston - sont enregistrés cette semaine en la Science de tourillon.

L'étude concerne un appelé matériel nanostructured un super-réseau : dans ce cas, une pile de couches minces alternatives d'arséniure de gallium et d'arséniure d'aluminium, chacun déposés consécutivement par une déposition en phase vapeur métallo-organique appelée de processus. Des Produits chimiques contenant ces éléments sont vaporisés dans un aspirateur, et puis déposés sur une surface, leurs épaisseurs avec précision commandées par la durée du procédé de dépôt. Les couches donnantes droit étaient juste 12 nanomètres profondément - au sujet de l'épaisseur d'une Molécule d'ADN - et les structures entières se sont échelonnées dans l'épaisseur de 24 à 216 nanomètres.

Les Chercheurs avaient précédemment cru que quoique de telles couches pourraient être atomique parfaites, il y avait toujours assez de rugosité aux surfaces adjacentes entre les couches pour disperser chaleur-transporter des quasi-particules, des phonons appelés, car ils ont déménagé par le super-réseau. Dans un matériau avec beaucoup de couches, de tels effets de dispersion s'accumuleraient, c'était pensée, et « détruisez l'effet d'onde » des phonons, dit Chen, Professeur de Karl Richard Soderberg de l'Ingénieurie Des Centrales Électriques. Mais cette supposition n'avait jamais été prouvée, ainsi lui et ses collègues ont décidé de réexaminer le procédé, il dit.

En Effet, les expériences par Luckyanova et les simulations sur ordinateur par Garg ont prouvé que tandis qu'une telle dispersion de phase-randomisation a lieu parmi des phonons à haute fréquence, des effets d'onde ont été préservés parmi des phonons basse fréquence. Chen dit qu'il a été très étonné quand Luckyanova est revenu avec les premières données expérimentales à l'exposition « que la conduction logique de la chaleur se produit réellement. »

La Compréhension des facteurs qui règlent cette cohérence pourrait, consécutivement, aboutir à améliorer des voies de briser cette cohérence et de réduire la conduction de la chaleur, Chen dit. Ce serait désirable dans des dispositifs thermoélectriques pour armer l'énergie calorifique inutilisée dans tout des propulseurs à l'électronique. De Telles applications exigent les matériaux qui conduisent l'électricité très bien mais conduisent la chaleur très mauvais.

Le travail a pu également améliorer le rejet de la chaleur, comme pour le refroidissement des puces pour ordinateurs. La capacité de s'orienter et l'écoulement de la chaleur direct ont pu aboutir à améliorer le management thermique pour de tels dispositifs. Chen dit que les chercheurs ne savent pas encore exercer un tel contrôle précis, mais la compréhension neuve pourrait aider. La Compréhension de ce mécanisme onde-basé « te donne plus de voies de manipuler le transport » de la chaleur, il dit.

Les deux matières employées dans cette expérience ont les propriétés très assimilées, Luckyanova dit, et l'électricité de conduite très bien. Mais en réglant l'épaisseur et l'espacement des couches, il dit, « nous croient que nous pouvons manipuler le transport thermique, » produisant le genre d'effet isolant requis pour les dispositifs thermoélectriques.

Le rôle des surfaces adjacentes entre les couches d'un matériau « est quelque chose qui n'a pas été réellement compris, » Garg dit. Les simulations Précédentes n'avaient pas compris les effets de la variation dans la texture extérieure sur le procédé, il dit, mais « J'ai réalisé qu'il y avait une voie de simuler le rôle de la rugosité » sur les phonons de voie déménagés par la pile de couches.

Les travaux récents fournissent non seulement la possibilité de régler le flux de la chaleur (en grande partie transportée par des phonons avec des longueurs d'onde courtes) mais également pour régler le mouvement des ondes sonores (principalement transportées par des phonons de long-longueur d'onde). « C'est réellement une sorte de compréhension principale, » Chen dit.

Les analyses qui ont rendu le travail possible ont surgi dans la grande partie par des interactions entre les chercheurs dans différentes disciplines, facilitées par le Centre Bull Semi-conducteur d'Énergie de Solaire-Thermique, un Centre de Frontière d'Énergie financé par le Département de l'Énergie des États-Unis, qui tient des contacts croix-disciplinaires réguliers au MIT. « Ces contacts ont fourni les longues, fructueuses discussions qui ont réellement renforcé le papier, » Luckyanova dit. La variété de gens dans le groupe « nous a réellement encouragés à attaquer ce problème de tous les côtés. »

Dames de Chris, un professeur agrégé temporaire de l'industrie mécanique à l'Université de Californie chez Berkeley, dit que c'est la première étude qu'il se rend compte de celui a regardé en détail l'effet du nombre de couches dans un super-réseau sur la boîte de vitesses des phonons. La « Compréhension et le réglage du transfert thermique dans les super-réseaux est très important pour certains dispositifs optoélectroniques, et a le potentiel d'influencer la conversion d'énergie thermoélectrique aussi bien, » il dit.

Les co-auteurs de l'article incluent Mildred Dresselhaus, Professeur Emerita d'Institut ; Eugene Fitzgerald, Merton C. Flemings SMA Professeur de Scientifique et Technique de Matériaux ; et plusieurs autres. Luckyanova a été supporté par le financement à partir d'une camaraderie de recherches de diplômé de National Science Foundation.

Source : http://web.mit.edu

Last Update: 16. November 2012 07:47

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