Texas Dallasin yliopisto on tehnyt yhteistyötä Texas Instrumentsin kanssa suunnitellakseen elektroniikalle paremman tavan muuntaa hukkalämpö uudelleen käytettäväksi energiaksi. Yhteistyöprojekti osoitti, että piin kykyä kerätä energiaa lämmöstä voidaan parantaa huomattavasti samalla kun se on toteutettavissa massatuotannon menetelmin.
Professori Mark Leen (kuvassa) johtaman tutkimuksen havainnot voivat vaikuttaa suuresti piirien jäähdytykseen elektroniikassa, samoin kuin menetelmään esineiden internetin antureiden virran tuottamiseksi. Leen mukaan ensisijaiset esteet laajalle levinneelle termosähköiselle energiankeruulle ovat olleet tehokkuus ja kustannukset.
- Lämpösähköinen tuotanto on ollut kallista sekä tuotetta kohden että laitteiden tuottaman energian watteja kohden laskettuna. Parhaat materiaalit ovat melko eksoottisia - ne ovat joko harvinaisia tai myrkyllisiä - eikä niitä ole helppo saada yhteensopiviksi puolijohdetekniikan kanssa, Lee selventää.
Jo 1950-luvulta lähtien piin on tiedetty olevan huono lämpösähköinen materiaali sellaisenaan. Mutta vuonna 2008 selvisi, että se toimi paljon paremmin nanojohtona, jos sen paksuus oli alle 100 nanometriä.
Yksi este tutkimuksen etenemiselle on ollut, että nanojohto on liian pieni ollakseen yhteensopiva sirujen valmistusprosessien kanssa. Tämän ratkaisemiseksi Lee ja hänen tiiminsä tukeutuivat nanolehtisiin. Ne ovat vain 80 nanometriä paksuja, mutta leveydeltään yli kahdeksankertaisia.
Tutkimuksen toinen kirjoittaja Hal Edwards, Texas Instrumentsin TI-stipendiaatti, suunnitteli ja valvoi prototyyppien valmistusta. - Professori Leen analyysi tunnisti keskeiset mitat, joissa edullinen piiteknologiamme kilpailee suotuisasti eksoottisempien yhdistepuolijohteiden kanssa.
Selvisi, että nanolehtimäinen muoto menettää jonkin verran lämpösähköistä kykyä suhteessa nanojohtoon. - Mutta useiden lehtien käyttäminen kerralla voi kuitenkin tuottaa suunnilleen yhtä paljon virtaa kuin parhaat eksoottiset materiaalit, samalla pinta-ala- ja lämpötilaerolla, Edwards toteaa.
Tutkijoiden mukaan toteutus voi toimia 40 prosenttia pienemmällä termosähköisellä teholla verrattuna eksoottisiin materiaaleihin, koska hinta wattia kohti on selvästi alhaisempi. Lisäksi CMOS-prosessiin liittyvät lisäkustannukset ovat erittäin pienet.
Tutkijat haluavat integroida tekniikkansa mikroprosessoriin, samalle sirulle anturin, vahvistimen, radion tai jonkin muun laitteen kanssa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 11.9.2019
