Um físico da Universidade do Texas em Dallas se uniu à Texas Instruments Inc. para projetar uma maneira melhor de os eletrônicos converterem calor residual em energia reutilizável.

O projeto colaborativo demonstrou que a capacidade do silício de coletar energia do calor pode ser bastante aumentada, embora permaneça produtiva em massa.

Dr. Mark Lee, professor e chefe do Departamento de Física da Escola de Ciências Naturais e Matemática, é o autor correspondente de um estudo publicado em 15 de julho em Nature Electronics que descreve os resultados. As descobertas podem influenciar muito a forma como os circuitos são resfriados na eletrônica, além de fornecer um método de alimentar os sensores usados ​​na crescente "internet das coisas".

"Sensores vão para todo lugar agora. Eles não podem ser conectados constantemente, então eles devem consumir muito pouca energia, "Disse Lee." Sem uma fonte de luz confiável para energia fotovoltaica, você precisa de algum tipo de bateria - uma que não deveria ser substituída. "

A geração termoelétrica é uma fonte de energia altamente verde, converter uma diferença de temperatura em energia elétrica.

"Em um sentido geral, o calor residual está em toda parte:o calor que o motor do seu carro gera, por exemplo, - disse Lee. - Esse calor normalmente se dissipa. Se você tiver uma diferença de temperatura constante - mesmo que pequena - então você pode transformar um pouco de calor em eletricidade para fazer funcionar seus eletrônicos. "

Sensores embutidos abaixo de um cruzamento de tráfego fornecem um exemplo de energia termoelétrica conveniente.

“O calor da fricção dos pneus e da luz solar pode ser colhido porque o material sob a estrada é mais frio, "Disse Lee." Então ninguém precisa desenterrar isso para trocar uma bateria. "

Os principais obstáculos para a colheita termoelétrica generalizada têm sido a eficiência e o custo, ele disse.

"A geração termoelétrica tem sido cara, tanto em termos de custo por dispositivo e custo por watt de energia gerada, "Lee disse." Os melhores materiais são bastante exóticos - eles são raros ou tóxicos - e não são facilmente compatíveis com a tecnologia básica de semicondutores. "

Silício, sobre o qual depende tanta tecnologia, é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. É conhecido desde a década de 1950 por ser um material termoelétrico pobre em seu volume, forma cristalina. Mas em 2008, uma nova pesquisa indicou que o silício tem um desempenho muito melhor como um nanofio - uma forma semelhante a um filamento com duas de suas três dimensões menores que 100 nanômetros. Para comparação, uma folha de papel tem cerca de 100, 000 nanômetros de espessura.

"Na década desde esses experimentos, Contudo, esforços para fazer um gerador termoelétrico de silício útil não tiveram sucesso, "Lee disse.

Uma barreira é que o nanofio é muito pequeno para ser compatível com os processos de fabricação de chips. Para superar isso, Lee e sua equipe dependiam de "nano-lâminas" - apenas 80 nanômetros de espessura, mas mais de oito vezes isso em largura. Embora ainda seja muito mais fino do que uma folha de papel, é compatível com as regras de fabricação de chips.

Hal Edwards, co-autor do estudo, um TI Fellow na Texas Instruments, fabricação projetada e supervisionada dos dispositivos protótipo. Ele se voltou para Lee e UT Dallas para estudar melhor o que os dispositivos podiam fazer.

"Um mergulho profundo nessas novas medidas, análises detalhadas e comparações de literatura requerem um grupo universitário, "Disse Edwards." A análise do professor Lee identificou as principais métricas nas quais nossa tecnologia de silício de baixo custo compete favoravelmente com semicondutores compostos mais exóticos. "

Lee explicou que a forma da nano-lâmina perde alguma capacidade termoelétrica em relação ao nanofio.

"Contudo, usar muitos de uma vez pode gerar tanta energia quanto os melhores materiais exóticos, com a mesma área e diferença de temperatura, " ele disse.

A solução de design de circuito da equipe combinou uma compreensão da física em nanoescala com princípios de engenharia. Uma constatação importante foi que algumas tentativas anteriores falharam porque muito material foi usado.

"Quando você usa muito silício, o diferencial de temperatura que alimenta a geração cai, "Lee disse." Muito calor residual é usado, e, à medida que a margem quente para frio cai, você não pode gerar tanta energia termoelétrica.

"Há um ponto ideal que, com nossas nano-lâminas, estamos muito mais perto de encontrar do que qualquer outra pessoa. A mudança na forma de silício estudada mudou o jogo, " ele adicionou.

Lee disse que a tecnologia avançada de processamento de silício da Texas Instruments permite eficiência, fabricação barata de um grande número de dispositivos.

"Você pode viver com uma redução de 40% na capacidade termoelétrica em relação a materiais exóticos porque seu custo por watt gerado cai, "disse ele." O custo marginal é um fator 100 a menos. "

Gangyi Hu Ph.D.'19, que concluiu seu doutorado em física na UT Dallas em maio, é o autor principal do estudo. Ele produziu a modelagem por computador para determinar o número de nano-lâminas por unidade de área que produzirá mais energia sem reduzir a diferença de temperatura.

“Otimizamos a configuração de nossos dispositivos para colocá-los entre os geradores termelétricos mais eficientes do mundo, "Disse Hu." Porque é silício, permanece de baixo custo, fácil de instalar, livre de manutenção, de longa duração e potencialmente biodegradável. "

Lee disse que o trabalho também era novo porque eles usaram uma linha de manufatura industrial automatizada para fabricar os geradores termoelétricos de circuito integrado de silício.

“Queremos integrar esta tecnologia com um microprocessador, com um sensor no mesmo chip, com um amplificador ou rádio, e assim por diante. Nosso trabalho foi feito no contexto desse conjunto completo de regras que governam tudo o que entra em chips de produção em massa, "Disse Lee." Lá na Texas Instruments, essa é a diferença entre uma tecnologia que eles podem usar e outra que não podem. "

Edwards garantiu as múltiplas vantagens de colaborar com a UT Dallas, incluindo recrutamento.

"Considero minhas colaborações com o grupo do professor Lee muito valiosas, "Disse Edwards." Também valorizo ​​a oportunidade de conhecer bem os alunos, para que eu possa ajudá-los a encontrar funções na TI. Um de meus colegas mais próximos da TI era o Ph.D. do professor Lee. aluno durante uma de nossas colaborações anteriores. "