德克萨斯大学达拉斯分校的物理学家与德州仪器公司合作，设计了一种更好的电子设备方法，将废热转化为可重复使用的能源。

该合作项目表明，硅可以大大提高从热量中获取能量的能力，同时保持大规模生产。

自然科学与数学学院教授兼物理系主任Mark Lee博士是7月15日Nature Electronics上发表的一项研究的对应作者，该研究描述了研究结果。这些发现可能极大地影响电路中电路的冷却方式，并提供一种为日益增长的“物联网”中使用的传感器供电的方法。

“传感器现在到处都是。它们不能经常插入，所以它们必须消耗很少的电力，”Lee说。“如果没有可靠的光伏能源光源，你就需要一种不需要更换电池的电池。”

热电发电是一种高度绿色的能源，将温差转换为电能。

“从一般意义上讲，废热无处不在：例如，汽车发动机产生的热量，”李说。“这种热量通常会消散。如果你有一个稳定的温差 - 即使是一个很小的温差 - 那么你就可以将一些热量转化为电能来运行你的电子设备。”

嵌入交通路口下方的传感器提供了方便的热电功率的示例。

“轮胎摩擦和阳光产生的热量可以收获，因为路面下的材料更冷，”李说。“所以没有人不得不去改变电池。”

他说，广泛热电采集的主要障碍是效率和成本。

“在每个设备的成本和每瓦产生的能源成本方面，热电发电都很昂贵，”李说。“最好的材料是相当奇特的 - 它们要么是稀有的，要么是有毒的 - 它们不容易与基本的半导体技术兼容。”

硅这么多技术所依赖的，是地壳中第二丰富的元素。自20世纪50年代以来，人们就知道它是一种体积较大的结晶形式的不良热电材料。但在2008年，新的研究表明，硅作为纳米线表现得更好 - 一种丝状形状，其三个尺寸中的两个小于100纳米。为了比较，一张纸的厚度约为100,000纳米。

“然而，自那些实验以来的十年间，制造有用的硅热电发电机的努力没有成功，”李说。

一个障碍是纳米线太小而不能与芯片制造工艺兼容。为了解决这个问题，李和他的团队依靠“纳米刀片” - 仅80纳米厚，但宽度超过8倍。虽然它仍然比一张纸薄得多，但它与芯片制造规则兼容。

研究合着者德州仪器(TI)的TI研究员Hal Edwards设计并监督了原型设备的制造。他转向Lee和UT Dallas进一步研究这些设备可以做些什么。

该真空电子探针台测试由研究人员构建的热电电路。在其中心可以看到带有热电电路的硅晶片。图片来源：德克萨斯大学达拉斯分校

“对这些新颖的测量，详细的分析和文献比较深入研究需要一个大学团体，”爱德华兹说。“李教授的分析确定了我们的低成本硅技术与更具特色的化合物半导体竞争的关键指标。”

Lee解释说，纳米刀片形状相对于纳米线失去了一些热电能力。

“但是，同时使用多个可以产生与最好的特殊材料相同的功率，具有相同的面积和温差，”他说。

该团队的电路设计解决方案将对纳米级物理学的理解与工程原理相结合。一个关键的实现是之前的一些尝试失败了，因为使用了太多的材料。

“当你使用过多的硅时，给这一代产生的温差会下降，”李说。“使用了太多的废热，而且随着热量到冷量的下降，你不能产生那么多的热电。

“有一个最佳点，通过我们的纳米刀片，我们比任何人都更接近发现。所研究的硅形式的变化改变了游戏，”他补充道。

Lee表示，德州仪器(TI)先进的硅加工技术可以高效，低成本地制造大量器件。

他说：“相对于特殊材料，你可以将热电能力降低40%，因为每瓦特的成本会急剧下降。” “边际成本降低了100倍。”

胡刚一博士，他于5月在UT达拉斯完成了物理学博士学位，是该研究的第一作者。他进行了计算机建模，以确定每单位面积的纳米刀片数量，这将产生最大的能量而不会降低温差。

“我们优化了设备的配置，使其成为世界上效率最高的热电发电机之一，”胡说。“因为它是硅，它仍然是低成本，易于安装，免维护，持久且可能可生物降解。”

Lee表示，这项工作也很新颖，因为他们使用自动化工业生产线来制造硅集成电路热电发电机。

“我们希望将这项技术与微处理器，同一芯片上的传感器，放大器或无线电等集成在一起。我们的工作是在完整的一系列规则的背景下完成的，这些规则管理着大规模的一切。生产芯片，“李说。“在德州仪器公司，这是他们可以使用的技术和他们不能使用的技术之间的区别。”

爱德华兹担心与UT达拉斯合作的多项优势，包括招聘。

“我发现我与李教授的团队合作非常有价值，”爱德华兹说。“我也非常重视让学生更好地了解学生的机会，这样我就可以帮助他们在TI内找到自己的角色。我的一位亲密的TI同事是我们早期合作中的李教授的博士生。”