В этой концепции используются крошечные треугольные структуры для управления «фононами», квантово-механическими явлениями, которые описывают, как колебания проходят через кристаллическую структуру материала.Результаты исследований с использованием расширенного моделирования показывают, что треугольные или Т-образные структуры — если они достаточно малы по ширине — способны к «термическому выпрямлению» или пропускают больший поток тепла в одном направлении, чем в противоположном, — сказал Сюлинь Руань. , доцент Школы машиностроения Университета Пердью и Нанотехнологического центра Бирка.Выпрямление сделало возможным использование транзисторов, диодов и схем памяти в полупроводниковой промышленности.
Новые устройства представляют собой тепловые выпрямители, которые могут выполнять ту же функцию, но с фононами вместо электрического тока.«В большинстве систем тепловой поток одинаков в обоих направлениях, поэтому здесь нет тепловых устройств, таких как электрические диоды. Однако, если мы сможем управлять тепловым потоком, как мы управляем электричеством с помощью диодов, то мы сможем задействовать множество новых и интересных тепловых устройства, включая термовыключатели, тепловые транзисторы, логические вентили и память », — сказал Руан, исследовательская группа которого сотрудничала с группой под руководством Юн Чена, доцента факультета физики Purdue и Школы электротехники и вычислительной техники. «Люди только начинают понимать, как это работает, и это довольно далеко от использования в приложениях».Результаты подробно описаны в исследовательской статье, которая появилась в Интернете в журнале Nano Letters и будет опубликована в одном из следующих выпусков журнала.
Авторы статьи: докторанты Ян Ван, Аджит Валлабханени, Цзюнин Ху и бывший докторант Бо Цю; Чен; и Руан.Исследователи использовали продвинутый метод моделирования, называемый молекулярной динамикой, чтобы продемонстрировать термическое выпрямление в структурах, называемых «асимметричными графеновыми нанолентами». Моделирование молекулярной динамики может моделировать колебания атомов и прогнозировать тепловой поток в материале.
Графен, чрезвычайно тонкий слой углерода, перспективен для применения в электронике и компьютерах. Треугольная структура должна быть крошечной по ширине, чтобы было возможно «боковое ограничение» фононов, необходимое для эффекта. Результаты также показывают, что термическое выпрямление не ограничивается графеном, но может быть замечено в других материалах в структурах, таких как пирамидальные, трапециевидные или Т-образные конструкции.
Ху, Руань и Чен также опубликовали четыре года назад статью в журнале Nano Letters, в числе первых предложивших асимметричные графеновые наноленты в качестве теплового выпрямителя в исследованиях с использованием моделирования молекулярной динамики. Хотя с тех пор этой теме было посвящено множество исследований, до сих пор исследователи не знали механизма термического выпрямления. Новые результаты показывают, что этот механизм работает, ограничивая колебания, когда они проходят через небольшое боковое направление асимметричной структуры.«Мы демонстрируем, что другие асимметричные материалы, такие как асимметричные нанопроволоки, тонкие пленки и квантовые точки из одного материала, также могут быть высокоэффективными тепловыми выпрямителями, если имеется боковое ограничение», — сказал Руан. «Это действительно расширяет возможности этого исправления для гораздо более широкого спектра применений».
Термическое выпрямление не наблюдается в больших структурах треугольной формы, потому что им не хватает бокового ограничения. По словам Ванга, для обеспечения бокового ограничения поперечное сечение структуры должно быть намного меньше, чем «длина свободного пробега» фонона, или от нескольких до сотен нанометров в зависимости от материала.
«Это среднее расстояние, которое фонон может пройти, прежде чем столкнется с другим фононом», — сказал он.Однако, хотя устройства должны быть крошечными, их можно соединить последовательно, чтобы получить более крупные структуры и улучшить характеристики выпрямления.Эта концепция может найти применение в приложениях "терморегулирования" для компьютеров и электроники, зданий и даже одежды.
"Например, зимней ночью вы не хотите, чтобы здание быстро теряло тепло наружу, а днем вы хотите, чтобы здание прогревалось солнцем, поэтому было бы хорошо иметь строительные материалы, которые позволяют — поток тепла в одном направлении, но не в другом », — сказал Руан.Потенциальным, хотя и предполагаемым, будущим применением могут быть тепловые транзисторы.
По словам Чена, в отличие от обычных транзисторов, тепловые транзисторы не требуют использования кремния, основаны на фононах, а не на электронах, и могут использовать большое количество отработанного тепла, которое уже генерируется в большинстве практических электронных устройств.