Un físico de la Universidad de Texas en Dallas se asoció con Texas Instruments Inc. para diseñar una mejor manera de que la electrónica convierta el calor residual en energía reutilizable.

El proyecto colaborativo demostró que la capacidad del silicio para recolectar energía del calor puede incrementarse en gran medida sin dejar de ser producible en masa.

Dr. Mark Lee, profesor y jefe del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas, es el autor correspondiente de un estudio publicado el 15 de julio en Electrónica de la naturaleza que describe los resultados. Los hallazgos podrían influir en gran medida en cómo se enfrían los circuitos en la electrónica, además de proporcionar un método para alimentar los sensores utilizados en el creciente "Internet de las cosas".

"Los sensores van a todas partes ahora. No se pueden enchufar constantemente, por lo que deben consumir muy poca energía, ", Dijo Lee." Sin una fuente de luz confiable para energía fotovoltaica, se queda necesitando algún tipo de batería, una que no debería tener que ser reemplazada ".

La generación termoeléctrica es una fuente de energía altamente verde, convertir una diferencia de temperatura en energía eléctrica.

"En un sentido general, el calor residual está en todas partes:el calor que genera el motor de su automóvil, por ejemplo, "Dijo Lee." Ese calor normalmente se disipa. Si tiene una diferencia de temperatura constante, aunque sea pequeña, entonces puede cosechar algo de calor en electricidad para hacer funcionar sus dispositivos electrónicos ".

Los sensores incrustados debajo de una intersección de tráfico brindan un ejemplo de energía termoeléctrica conveniente.

"El calor de la fricción de los neumáticos y de la luz solar se puede aprovechar porque el material debajo de la carretera es más frío, "Dijo Lee." Así que nadie tiene que desenterrar eso para cambiar una batería ".

Los principales obstáculos para la recolección termoeléctrica generalizada han sido la eficiencia y el costo, él dijo.

"La generación termoeléctrica ha sido cara, tanto en términos de costo por dispositivo como por vatio de energía generada, ", Dijo Lee." Los mejores materiales son bastante exóticos, o son raros o tóxicos, y no son fácilmente compatibles con la tecnología básica de semiconductores ".

Silicio, en el que se basa tanta tecnología, es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. Se sabe desde la década de 1950 que es un material termoeléctrico pobre en su volumen, forma cristalina. Pero en 2008, Una nueva investigación indicó que el silicio funciona mucho mejor como nanoalambre, una forma similar a un filamento con dos de sus tres dimensiones de menos de 100 nanómetros. Para comparacion, una hoja de papel es aproximadamente 100, 000 nanómetros de espesor.

"En la década transcurrida desde esos experimentos, sin embargo, los esfuerzos para hacer un generador termoeléctrico de silicio útil no han tenido éxito, "Dijo Lee.

Una barrera es que el nanoalambre es demasiado pequeño para ser compatible con los procesos de fabricación de chips. Para superar esto, Lee y su equipo se basaron en "nanocuchillas", de solo 80 nanómetros de grosor pero más de ocho veces más de ancho. Si bien es mucho más delgado que una hoja de papel, es compatible con las reglas de fabricación de chips.

El coautor del estudio Hal Edwards, un miembro de TI en Texas Instruments, Fabricación diseñada y supervisada de los dispositivos prototipo. Se dirigió a Lee y UT Dallas para estudiar más a fondo lo que podían hacer los dispositivos.

"Un análisis profundo de estas medidas novedosas, El análisis detallado y las comparaciones de la literatura requieren un grupo universitario, ", Dijo Edwards." El análisis del profesor Lee identificó métricas clave en las que nuestra tecnología de silicio de bajo costo compite favorablemente con semiconductores compuestos más exóticos ".

Lee explicó que la forma de la nanocuchilla pierde cierta capacidad termoeléctrica en relación con el nanoalambre.

"Sin embargo, el uso de muchos a la vez puede generar tanto poder como los mejores materiales exóticos, con la misma zona y diferencia de temperatura, " él dijo.

La solución de diseño de circuitos del equipo combinó la comprensión de la física a nanoescala con principios de ingeniería. Un descubrimiento clave fue que algunos intentos anteriores fallaron porque se utilizó demasiado material.

"Cuando se usa demasiado silicio, baja el diferencial de temperatura que alimenta a la generación, ", Dijo Lee." Se usa demasiado calor residual, y, a medida que cae ese margen de caliente a frío, no se puede generar tanta energía termoeléctrica.

"Hay un punto óptimo que, con nuestras nanocuchillas, estamos mucho más cerca de encontrar que nadie. El cambio en la forma de silicio estudiado cambió el juego, "añadió.

Lee dijo que la tecnología avanzada de procesamiento de silicio en Texas Instruments permite una eficiencia, fabricación económica de una gran cantidad de dispositivos.

"Puede vivir con una reducción del 40% en la capacidad termoeléctrica en relación con los materiales exóticos porque su costo por vatio generado se desploma, ", dijo." El costo marginal es un factor 100 más bajo ".

Gangyi Hu Ph.D.'19, quien terminó su doctorado en física en UT Dallas en mayo, es el autor principal del estudio. Produjo el modelo por computadora para determinar el número de nanocuchillas por unidad de área que producirán la mayor cantidad de energía sin reducir la diferencia de temperatura.

"Optimizamos la configuración de nuestros dispositivos para colocarlos entre los generadores termoeléctricos más eficientes del mundo, "Hu dijo." Porque es silicio, sigue siendo de bajo costo, fácil de instalar, libre de mantenimiento, de larga duración y potencialmente biodegradable ".

Lee dijo que el trabajo también era novedoso porque utilizaron una línea de fabricación industrial automatizada para fabricar los generadores termoeléctricos de circuito integrado de silicio.

"Queremos integrar esta tecnología con un microprocesador, con un sensor en el mismo chip, con un amplificador o radio, etcétera. Nuestro trabajo se realizó en el contexto de ese conjunto completo de reglas que rigen todo lo que entra en la producción de chips en masa, "Dijo Lee." En Texas Instruments, esa es la diferencia entre una tecnología que pueden usar y otra que no ".

Edwards respondió por las múltiples ventajas de colaborar con UT Dallas, incluido el reclutamiento.

"Considero que mis colaboraciones con el grupo del profesor Lee son muy valiosas, ", Dijo Edwards." También valoro la oportunidad de conocer bien a los estudiantes, para poder ayudarlos a encontrar roles dentro de TI. Uno de mis colegas más cercanos de TI fue el Ph.D. del profesor Lee. estudiante durante una de nuestras colaboraciones anteriores ".