Bobinas termoeléctricas 3D como componentes activos de sistemas flexibles y deformables para recolectar energía eléctrica para tecnologías portátiles. A) Ilustración esquemática de fabricación y montaje 3D. Los materiales de película fina de tipo p y n se modelaron en formas de serpentina 2D y se transfirieron a una capa de poliimida (PI) para formar los materiales activos. Las estructuras precursoras 2D se completaron con uniones metálicas y un revestimiento superficial de PI modelado mediante fotolitografía y grabado. La unión química de dichos sistemas a sustratos de silicona preestructurados en ubicaciones selectivas fue seguida por un preestirado para iniciar un proceso de transformaciones geométricas para producir la arquitectura 3D final. B) Imágenes ópticas de bobinas termoeléctricas 3D resultantes. La geometría de la estructura y el sustrato de elastómero se combinan para proporcionar robustez mecánica frente a la manipulación y la deformación mecánica. C) Una matriz de bobinas de 8 x 8. La vista ampliada muestra que la estructura 3D es consistente con la geometría predicha por FEA. El perfil de color representa la tensión en la pata de silicona. D) La matriz de 8 x 8 se puede colocar en la piel de la muñeca y el tobillo. Crédito de la foto:Xiwei Shan, Laboratorio UIUC, Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aau5849.
Los dispositivos semiconductores miniaturizados con funciones de recolección de energía han allanado el camino hacia tecnologías y sensores portátiles. Aunque los sistemas termoeléctricos tienen características atractivas en este contexto, la capacidad de mantener grandes diferencias de temperatura entre los terminales de los dispositivos sigue siendo cada vez más difícil de lograr con las tendencias aceleradas en la miniaturización de los dispositivos. Como resultado, un grupo de científicos en ciencias aplicadas e ingeniería ha desarrollado y demostrado una propuesta sobre una solución arquitectónica al problema en el que los materiales activos de película delgada diseñados se integran en formas tridimensionales (3-D) flexibles.
El enfoque permitió una adaptación eficiente de la impedancia térmica, y el flujo de calor multiplicado a través de la cosechadora para aumentar la conversión de energía eficiente. En el estudio realizado por Kewang Nan y sus colegas, Se construyeron matrices interconectadas de bobinas termoeléctricas tridimensionales con cintas a microescala del material activo silicio monocristalino para demostrar los conceptos propuestos. Posteriormente se realizaron mediciones cuantitativas y simulaciones para establecer los principios operativos básicos y las características clave de diseño de la estrategia. Los resultados, ahora publicado en Avances de la ciencia , sugirió una estrategia escalable para implementar películas delgadas termoeléctricas duras dentro de recolectores de energía que puedan integrarse de manera eficiente con sistemas de materiales blandos, incluido el tejido humano, para desarrollar sensores portátiles en el futuro.
Los dispositivos termoeléctricos proporcionan una plataforma para incorporar gradientes térmicos ubicuos que generan energía eléctrica. Para operar sensores portátiles o dispositivos de "Internet de las cosas", el gradiente de temperatura entre el entorno circundante y el cuerpo humano / objetos inanimados debe proporcionar fuentes de alimentación a pequeña escala. Los continuos avances en el campo se centran en la reducción agresiva de los requisitos de energía para sistemas miniaturizados para mejorar su potencial en aplicaciones termoeléctricas y de recolección de energía. Los procesadores y transmisores de radio integrados, por ejemplo, pueden funcionar con potencia en el rango de subnanowatts, algunos ejemplos recientes se basan en la recolección de energía basada en la luz ambiental y el potencial endococlear. Dichas plataformas se pueden emparejar con sensores con potencia similar para permitir distribuidos, Monitoreo ambiental / bioquímico continuo y remoto.
Dos desafíos clave en el desarrollo de recolectores termoeléctricos miniaturizados incluyen igualar la impedancia térmica requerida y la conformidad mecánica de los materiales activos para integrarse en sistemas biológicos. Un sistema bien desarrollado para la flexibilidad del dispositivo incluye la combinación de polímeros de película delgada con láminas metálicas como cables o cintas. En el estudio, Nan et al proponen y demuestran una solución mediante el desarrollo de un sistema precursor bidimensional (2-D) en el desarrollo de bobinas helicoidales tridimensionales funcionales. La naturaleza naturalmente flexible de las bobinas permitió que los sistemas se adaptaran a superficies biológicas complejas, incluso aquellos dinámicos con el tiempo, para asegurar un excelente contacto térmico con la fuente de calor. Es más, la naturaleza tridimensional del sistema proporcionó un aumento múltiple en el área de la superficie para una mayor capacidad de intercambio de calor para producir la máxima potencia.
La arquitectura de la bobina helicoidal termoeléctrica se fabricó utilizando silicio monocristalino como material activo. El conjunto guiado mecánicamente generó estructuras helicoidales tridimensionales a partir de serpentines bidimensionales mediante pandeo por compresión. Las serpentinas incorporaron cintas de silicona con segmentos de tipo p y n, y el sistema se encapsuló en la parte superior e inferior con revestimientos de polímero. La arquitectura permitió la transformación del sistema de 2-D a 3-D durante la implementación y el uso. Aunque muy dopado con silicio, las bobinas 3-D pudieron proporcionar niveles notables de cumplimiento mecánico y robustez durante las aplicaciones de manipulación y doblado. El ensamblaje no se desvió significativamente de la geometría predicha usando el análisis de elementos finitos (FEA). Tales características del material hicieron que el sistema fuera adecuado para formar interfaces térmicas íntimas con el cuerpo humano, como la muñeca o los tobillos.
Deformabilidad mecánica y durabilidad de las cosechadoras termoeléctricas 3D. A) distribuciones simuladas de deformación en la rama termoeléctrica de silicio antes y después del estiramiento uniaxial en el plano en un 60 por ciento. Los resultados indicaron reducciones en la tensión durante el estiramiento como se esperaba en base al pandeo por compresión utilizado para formar estructuras 3D. B) Resultados de pruebas experimentales de durabilidad que involucran múltiples ciclos de estiramiento y liberación uniaxial en una estructura de bobina. Los datos solo indicaron un pequeño aumento en la resistencia eléctrica. C) Imágenes ópticas (arriba) y estructuras simuladas (abajo) después del estiramiento en el plano. D) Valores simulados de la deformación local máxima. Es posible una compresión máxima del 26 por ciento antes de alcanzar la deformación por fractura del silicio, el factor limitante del sistema. El recuadro muestra la estructura deformada después de la compresión e incluye un mapa de distribución de deformaciones de la pata de silicio junto al punto de fractura. E) Medidas experimentales de la resistencia del dispositivo a compresión vertical. A una compresión del 40 por ciento, el dispositivo mostró un comportamiento de circuito abierto debido a la fractura de silicio. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aau5849.
Para mejorar las propiedades mecánicas y térmicas de las bobinas 3D, los científicos utilizaron el software FEA para la optimización guiada computacionalmente del dispositivo resultante. En principio, la arquitectura tridimensional del dispositivo resultó ventajosa para una recolección eficaz. Por lo tanto, por diseño, el sistema de bobina helicoidal 3-D incluía una geometría ahusada que aumentaba en ancho hacia la parte superior como se diseñó usando FEA para optimizar las respuestas térmicas y mecánicas. El esquema de diseño del estudio se mejoró específicamente para la recolección en dispositivos en miniatura. El aumento de la capacidad de enfriamiento del diseño del dispositivo tuvo mayores beneficios para contrastar cualquier pérdida debida al flujo de calor parásito en el sistema.
Nan et al, También realizó pruebas de cumplimiento mecánico en los dispositivos para comprender su capacidad para soportar flexiones sustanciales, estiramiento en el plano y compresión fuera del plano, como en informes anteriores. Las estructuras 3-D podrían estirarse hasta en un 60 por ciento en la dirección del plano durante cien ciclos y comprimirse verticalmente hasta en un 30 por ciento, con mínima degradación de las propiedades eléctricas. Los dispositivos mostraron un cumplimiento mecánico excepcional según lo predicho por FEA. El estiramiento uniaxial a lo largo de 200 ciclos no resultó en fallas eléctricas o mecánicas. La bobina 3-D mostró resistencia con potencial para la integración interfacial dentro de dispositivos en miniatura.
Recolección de energía con bobinas termoeléctricas y una hoja de ruta para mejorar la potencia. A) Ilustración esquemática de las condiciones de medición que prueban el rendimiento de los dispositivos de recolección. B) Características de salida de potencia medida que muestran una potencia máxima de 2 nW. C) Salida de potencia proyectada obtenida mediante el uso de materiales termoeléctricos conocidos con figura de materiales termoeléctricos zT superior a la del Si. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aau5849.
Las proyecciones de producción de energía de los dispositivos de recolección también se caracterizaron para mostrar resultados consistentes alineados con las expectativas de diseño. El voltaje de circuito abierto del dispositivo no disminuyó a lo largo del tiempo en las mediciones, lo que indica que el perfil térmico del dispositivo estaba en un estado estable. En el estudio, los autores generaron una hoja de ruta para la mejora de la energía y un esquema de fabricación para diseñar dispositivos de recolección de energía con materiales distintos al silicio, incluidas variantes orgánicas.
Los autores recomiendan investigaciones adicionales sobre métodos de deposición, dopaje y modelado para materiales orgánicos y compuestos. Los materiales no deben sucumbir a la resistencia eléctrica durante la transformación mecánica de 2-D a 3-D. Con el silicio utilizado en el estudio, Se observó un aumento de tres veces en la resistencia durante la transformación debido potencialmente al contacto del electrodo, Degradación del dispositivo o deformación plástica en algunas partes del dispositivo. El estudio representa una estrategia prometedora para integrar materiales de película delgada en cosechadoras con sistemas de materiales blandos (incluida la piel humana) para realizar dispositivos electrónicos portátiles energéticamente optimizados en el futuro.
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