Учеными из Лабораторий Беркли (Berkeley Lab) в Калифорнии, созданы кремниевые наноструны, которые характеризуются отличными термоэлектрическими свойствами.

Один из авторов этого открытия, Аран Маджумдар (Arun Majumdar), уверен, термоэлектрический кремний с высокими характеристиками может не только принести ряд новых продуктов на мировой рынок бытовой электроники (например, ряд компактных термоэлектрических преобразователей), но и существенно улучшить некоторые уже сегодня существующие устройства, среди которых есть и топливные элементы.

Достижения ученых описаны в журнале Nature, который вышел 10 января 2008 года.

Более того, эффективные термоэлектрические преобразователи позволят существенно повысить КПД современных электростанций, работающих по генераторному принципу. В них происходит потеря большого количества тепла, которое можно было бы с помощью массивов преобразователей превратить в дополнительную энергию, а это существенно бы отразилось на мировой энергетике.

Рис. 1. СТМ-изображение массива нанонитей на чипе

Как оказалось, помогла ученым интересная особенность, обеспечивающая появление сильного термоэлектрического эффекта: это шероховатости и неровности на поверхности полученных кремниевых нанострун. Аран пока не может сказать, почему возникает такой эффект, но то что именно шероховатости играют основную роль в возникновении термоэлектрического эффекта, это ученые установили наверняка.

Аран и его коллеги смогли получить нанонити благодаря новому методу травления, который состоит в том, что с поверхности кремниевой подложки, помещенную в водный раствор, гальванически убирают ионы серебра, что вызывает ее изменение и формирование кремниевых нанонитей с шероховатой поверхностью.

Сейчас ученые работают над тем, как увеличить эффективность преобразователя. Аран и его коллеги намерены довести коэффициент термоэлектрической добротности (ZT) до 1 и более.

Пока нанонити диаметром 50 нанометров при комнатной температуре могут похвастаться значением ZT=0,6, но Аран уверен, что более высоких значений можно добиться, уменьшая их диаметр и применив допирование нанонитей другими атомами. Также ученым следует лучше разобраться в физике причин влияния шероховатостей на увеличение термоэлектрического эффекта.

Рис. 2. Так может выглядеть фрагмент чипа термоэлектрического преобразователя

Следующим шагом в работе ученых будет конструирование прототипа первого термоэлектрического преобразователя на основе «матрицы» нескольких чипов с нанонитями.

И если ученые достигнут успеха в этой области, то мировая энергетика получит несомненные выгоды.

Во-первых, термоэлектрическими генераторами можно «отбирать» энергию у выхлопа машин, смонтировав их в выхлопной трубе. Большие массивы генераторов могут повысить производство электроэнергии на электростанциях генераторного типа путем обработки пара, прошедшего турбину. Ну и, конечно, альтернативная энергетика также может воспользоваться преимуществами термоэлектрических преобразователей.

Более того, нано-преобразователи могут стать отдельным коммерчески успешным продуктом. Один из примеров – жилет, который может подзаряжать мобильный телефон, преобразуя теплоту человеческого тела в необходимую электроэнергию.

В общем, открытие достаточно важное, чтобы на нем сосредоточилось внимание Департамента Энергетики США, под финансированием которого будут проходить дальнейшие исследования.

Свидиненко Юрий