Команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала термоэлектрический охладитель толщиной всего сто нанометров. Это «самый маленький холодильник в мире», как его называют исследователи. В более широком масштабе эта новая система однажды сможет предотвратить перегрев современной микроэлектроники.
Что такое термоэлектрические устройства и как они работают?
Термоэлектрические холодильники, конечно, не похожи на наши обычные холодильники. Для генерации холода они полагаются на систему сжатия паров. В принципе, термоэлектрические системы работают следующим образом: между металлическими пластинами зажаты два разных полупроводника. Тогда могут произойти две вещи. При нагревании одна сторона нагревается, а другая остается холодной. Затем эту разницу температур можно использовать для выработки электроэнергии. Зонды "Вояджера", которые сейчас, например, плывут в межзвездном пространстве, питаются от устройств такого типа. Поэтому они вырабатывают электроэнергию из тепла, вырабатываемого небольшим плутониевым ядерным реактором. Однако этот процесс может быть выполнен и в обратном порядке. Когда к устройству подается электрический ток, одна сторона становится горячей, а другая - холодной. Это позволяет ему служить "кулером". Этот тип технологии может быть использован для охлаждения электронных устройств, для регулирования температуры в оптоволоконных сетях, или для уменьшения "шума" изображения в телескопах и других цифровых камерах высокого класса.
Физики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе смогли уменьшить термоэлектрическое охлаждение более чем в 10 000 раз по сравнению с предыдущим термоэлектрическим охладителем меньшего размера. Для этого они использовали два стандартных полупроводниковых материала: теллурид висмута и теллурид сурьмы-висмута, превращенный в микроскопические «хлопья». Затем они изготовили функциональные устройства, невидимые невооруженным глазом, толщиной всего сто нанометров и общим активным объемом около одного кубического микрометра.
- "Мы сделали самый маленький холодильник в мире", - сказал Риган, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале ACS Nano.
Наночастицы как "термометры"
Тогда еще одной проблемой было измерение температуры, создаваемой этими устройствами в таком небольшом масштабе. Для этого физики использовали метод термометрии расширения плазменной энергии, изобретенный в 2015 году. Этот процесс определяет температуру в нанометровом масштабе путем измерения изменений плотности с помощью просвечивающего электронного микроскопа. В данном конкретном случае исследователи поместили наночастицы индия рядом с термоэлектрическими охладителями. По мере того как эти устройства охлаждались или нагревались, индий соответственно сжимался или расширялся. Таким образом, измеряя плотность индия, можно точно определить температуру этих наноохладителей.
Регулирование температуры с помощью современной технологии
Хотя термоэлектрические устройства используются в нишевых приложениях, их низкая эффективность по сравнению с обычными системами сжатия препятствует широкому распространению этой технологии. Другими словами, в более широком масштабе термоэлектрические устройства еще не вырабатывают достаточно электричества или не остаются достаточно холодными, отсюда и интерес к этой новой работе. Исследователи полагают, что беспрецедентное сочетание этих полупроводников однажды может быть увеличено. Это позволит разработать новый класс устройств для «охлаждения» передовых устройств микроэлектроники.