Puolijohdejäähdytys seuraavan sukupolven elektroniikkaan

Kun elektroniikka pienenee ja laskentavaatimukset kasvavat, kompaktien ja tehokkaiden jäähdytystekniikoiden tarve on yhä kiireellisempi.Nykyään sovellukset, kuten infrapunatunnistin, suprajohtavat järjestelmät ja nousevat kvanttilaitteet, luottavat edelleen tilaa vievään kryogeeniseen jäähdytykseen, joka perustuu nestemäiseen typpeen tai heliumiin, tekniikoihin, jotka ovat energiaintensiivisiä ja joita on vaikea pienentää.Kiinteän olomuodon jäähdytys tarjoaa potentiaalisen vaihtoehdon, mutta edistymistä on rajoittanut käytettyjen materiaalien epätäydellinen ymmärtäminen.

Northwestern Engineeringin tutkijat ovat ottaneet suuren askeleen tämän haasteen ratkaisemisessa kehittämällä uuden kehyksen poikittaisten lämpösähköisten materiaalien ymmärtämiseksi ja optimoimiseksi.Professori Matthew Graysonin johtama työ käsittelee pitkään jatkunutta palapeliä poikittaisessa lämpösähköisessä, luokkassa epätavallisia puolijohdekiteitä, jotka voivat muuntaa sähkön suoraan jäähdytystehoksi ilman liikkuvia osia.

Ryhmä havaitsi, että keskeinen materiaaliparametri, elektroninen kaistaväli, muuttuu merkittävästi lämpötilan mukaan poikittaistermosähköisessä.Vaikka lämpötilasta riippuvat kaistavälit tunnetaan tavanomaisissa puolijohteissa, vaikutus on yleensä vähäinen.Poikittaisissa lämpösähköisissä materiaaleissa kaistavälit ovat kuitenkin niin pieniä, että niiden lämpötilan aiheuttamat muutokset ovat verrattavissa itse rakoon, mikä muuttaa perusteellisesti varauksenkuljettajien käyttäytymistä.Tämä näkemys selittää, miksi aikaisemmat mallit eivät pystyneet kuvaamaan kokeellisia tuloksia tarkasti.

Ongelman tunnistamisen lisäksi tutkijat esittelivät uuden kokeellisen menetelmän lämpötilasta riippuvan kaistavälin erottamiseksi suoraan sähkömittauksista.Lähestymistapa validoitiin käyttämällä kahta erillistä kokeellista tietojoukkoa poikittaisesta lämpösähköisestä materiaalista Re4Si7, mikä osoitti vahvaa yhteensopivuutta eri käyttäytymismallien välillä.Yhteistyökumppaneiden suorittamat täydentävät teoreettiset laskelmat vahvistivat havaintoja.


Tutkimuksen keskeisiä tuloksia ovat mm.
• Kehys poikittaisten lämpösähköisten materiaalien mallintamiseen
• Lämpötilasta riippuvien kaistavälien suora mittaus
• Parempi ymmärrys elektronien ja aukkojen sekakuljetuksista
• Polku kiinteän olomuodon jäähdytysmateriaalien optimointiin