Схематическое изображение структуры, обеспечивающей перенос тепла в направлении, перпендикулярном электрическому току. (кликните картинку для увеличения)

12.06.2013 (10:36)
Просмотров: 3086
Рейтинг: 2.00
Голосов: 2

Теги:
электрон, ток, проводник, охлаждение,

Технология >> Нанотехнология

Как считают ученые из США, для охлаждения твердотельных устройств можно применять термоэлектрический эффект, благодаря которому электрический ток вызывает поток тепла в определенном направлении. Подобный эффект, по их мнению, может возникать также в материалах, в которых положительные и отрицательные заряды движутся под углом друг к другу. Если они смогут доказать на практике, что при этом тепло передается в перпендикулярном току направлении, подобные материалы могут привести к новым компактным конструкциям для охлаждения электроники до гораздо более низких температур, чем это возможно сейчас.

Термоэлектрический эффект в металлах возникает из-за того, что электроны, обеспечивающие перенос заряда, также отвечают и за перенос тепла. В полупроводниках ситуация даже более интересна – здесь электроны «населяют» различные группы энергетических уровней. Дырки проводимости (атомы, у которых отсутствует один электрон) выступают в роли положительных носителей тока, которые переносят энергию в противоположном направлении (относительно направления движения электронов). Как правило, тепло, переносимое электронами и дырками проводимости частично компенсируется.

Ситуация изменяется, когда электроны и дырки проводимости движутся не в строго противоположных направлениях. Группа ученых из Northwestern University in Evanston (США) проанализировала ситуацию, когда электрический ток вдоль одной оси кристалла обеспечивается в основном электронами, в то время как за ток в перпендикулярных направлениях «отвечают» дырки проводимости. Оказалось, что, когда ток имеет некоторое «среднее» направление, появляется так называемый поперечный термоэлектрический эффект, обеспечивающий перенос тепла перпендикулярно току.

Описанная учеными анизотропная проводимость не свойственна природным веществам. Однако, как считают исследователи, она может быть достигнута, к примеру, в искусственных гетероструктурах, состоящих из чередующихся сверхтонких слоев арсенида индия и антимонида галлия. При достаточно малой толщине слоев электроны будут легко проникать через их границы, в то время как дырки проводимости будут заблокированы в пределах одного слоя.

Ученые считают, что для проверки этого предположения можно будет создать тонкую пленку такого материала на горизонтальной подложке (при этом слои материала должны быть ориентированы перпендикулярно подложки). По мнению исследователей, наблюдаемый таким образом термоэлектрический эффект может быть намного больше, чем перенос тепла через поперечное сечение традиционного проводника.

Стоит отметить, что похожие анизотропные структуры впервые были проанализированы порядка 50 лет назад. В то время, однако, предполагалось создавать поперечный термоэлектрический эффект с помощью сильного магнитного поля (порядка 1 Тесла), что не осуществимо в большинстве реальных ситуаций. Хотя идеология метода с тех пор несколько поменялась, в новом материале могут быть воплощены некоторые старые идеи относительно дизайна (что позволило бы им генерировать большие перепады температур). По мнению ученых, это позволит создать компактные «кулеры» для нанотехнологических устройств.

Научная группа признает, что описанная ими структура сложна в изготовлении (как минимум потому, что подобные слоистые материалы обычно выращивают параллельно подложке). Таким образом, практическое применение идеи еще потребует ее доработки.

Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

	Читать @SciLibCom Твитнуть Нравится

Редколлегия

Также по теме:

Источники:

Новость подготовлена по материалам physics.aps.org