eng
Вакуумные туннельные диоды (ВТД) могут применяться как в охлаждающих приборах, так и в твердотельных генераторах электрического тока. Квантово-механические расчеты максимальной электрической мощности и эффективности ВТД в зависимости от ширины вакуумного зазора и разности температур на электродах в режиме генерации электроэнергии показывают перспективность их использования в генераторах электрического тока, работающих от разнообразных источников тепла в наименее используемом диапазоне температур 300–600°С.
Теги: electrical generators vacuum tunnel diode вакуумные туннельные диоды генераторы электрического тока
Проблемы энергосбережения и утилизации бросового тепла металлургических заводов, тепловых электростанций, дизельных двигателей и других источников в последнее время становятся особенно актуальными. До сих пор наиболее перспективными твердотельными генераторами электрического тока, использующими низкотемпературное тепло (до 250–350°С), считались термоэлектрические приборы.
В 2000 году компания Cool Chips заявила о начале разработок твердотельных вакуумных туннельных диодов (ВТД), предназначенных для использования в устройствах охлаждения и производства электроэнергии. Типичный ВТД представляет собой два металлических или полупроводниковых электрода, разделенных вакуумным промежутком шириной в несколько нанометров. При нагревании одного из электродов возникает туннельный поток электронов от горячего электрода к холодному через вакуумный зазор, создавая ТЕРМОЭДС, величина которой пропорциональна разности температуры между электродами.
Основные преимущества применения ВТД в охлаждающих приборах:
высокая эффективность по отношению к циклу Карно, которая, по данным Стенфордского университета, достигает 55%, что обусловлено низким обратным тепловым потоком через вакуумный зазор. Для сравнения: эффективность охлаждающих систем на базе компрессоров составляет 45%, на базе термоэлектрических приборов – 5–8%;
удельная стоимость от 0,05 до 0,10 долл./Вт. Для сравнения: удельная стоимость охлаждающих систем на базе компрессоров и термоэлектрических приборов составляет 0,1–0,2 долл./Вт и более 1,5 долл./Вт соответственно;
полное отсутствие загрязнения окружающей среды.
До сих пор практическое применение ВТД сдерживалось отсутствием технологии создания устройств с электродами большой площади и вакуумным зазором шириной 5–10 нм. Компания Cool Chips предложила изготавливать электроды ВТД путем напыления металлической пленки на подложку с последующим ее отделением, в результате чего рельеф пленки полностью повторял рельеф подложки. Расстояние между такими электродами регулировалось с помощью пьезокерамического кольца. Экспериментально была подтверждена возможность реализации ВТД с вакуумным зазором 20–50 нм и рабочей площадью электродов 1–2 см2 [1, 2]. Однако в этих работах не сообщалось, каким образом предполагается сохранять заданную величину вакуумного зазора, устранять температурные деформации электродов и ослаблять влияние вибраций в процессе работы ВТД. Также не сообщалось, каковы результаты испытаний ВТД для охлаждения реальных объектов.
Поскольку пока не удалось найти информацию о ВТД, предназначенных для производства электроэнергии, авторами были проведены предварительные квантово-механические расчеты характеристик ВТД с целью оценки перспективности их использования в качестве генераторов электрического тока. Были рассчитаны зависимости электрического тока, напряжения, электрической и тепловой мощности, а также эффективности ВТД от расстояния между электродами и их температуры.
На рис.1–3 представлены расчетные зависимости генерируемой электрической мощности Qe(d) на согласованной нагрузке (электрическое сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению ВТД) и теплового потока Qh(d) от расстояния между электродами d и температуры холодного и горячего электродов Tc и Th соответственно. На рис.4 представлена зависимость эффективности ВТД (COP(d) = Qe(d)/Qh(d)) от расстояния между электродами d.
При проведении расчетов были сделаны следующие допущения:
потенциальный барьер имеет трапецеидальную форму;
ширина барьера равна ширине вакуумного зазора;
не учитывается уменьшение ширины и высоты барьера из-за наведенного заряда на поверхностях электродов;
электроды изготовлены из одного металла;
работа выхода электронов из металла – 1 эВ, температура холодного электрода – 50°С; температура горячего электрода – 350°С, 450°С и 550°С.
Результаты расчетов показывают, что электрическая мощность и эффективность ВТД при ширине вакуумного зазора от 1 до 5 нм значительно превышают аналогичные характеристики термоэлектрических приборов, а сами ВТД могут быть использованы в качестве генераторов электрического тока в диапазоне температур источников тепла 300–600°С.
При учете влияния наведенного на поверхности электродов заряда, приводящего к уменьшению ширины и высоты потенциального барьера, а также увеличению туннельного тока через барьер, характеристики ВТД улучшаются.
С целью создания высокоэффективных ВТД большой площади для генераторов электрического тока необходимо решить следующие задачи:
определить материалы электродов (проводники или полупроводники) с оптимальной работой выхода электронов;
определить формы поверхности и микрорельефа электродов;
разработать технологии создания и поддержания вакуумного зазора между электродами в диапазоне 1–5 нм;
разработать технологии нанесения на холодный электрод слоев материалов, уменьшающих работу выхода электронов;
разработать технологии нанесения на холодный электрод слоев материалов с зонной структурой, имеющей дискретные уровни в запрещенной зоне или зону проводимости, расположенные на несколько kTh (k – постоянная Больцмана, Th – температура дырок) выше уровня Ферми в холодном электроде, что обеспечивало бы резонансное туннелирование электронов только в интересующем диапазоне их энергии [3];
разработать конструкцию и технологию изготовления электродов из термоэлектрических материалов, обеспечивающих дополнительный вклад в электрическую мощность;
разработать динамические системы.
Необходимо отметить, что создание ВТД большой площади может быть реализовано только на базе новых идей и современных нанотехнологий.
Целесообразно разработать ВТД большой площади с использованием имеющегося научно-технического потенциала в области туннельной микроскопии, высоковакуумной техники и создания твердотельных приборов с субмикронными размерами элементов. На первом этапе предполагается выполнение следующих работ: измерение основных характеристик ВТД малой площади с использованием туннельных микроскопов; разработка технических требований к материалам электродов, их форме и качеству обработки поверхности; выполнение расчетов различных вариантов ВТД и экспериментальная проверка возможности реализации оригинальных идей изготовления ВТД большой площади. На втором этапе предполагается разработка технологических процессов изготовления ВТД, включая разработку специального технологического и контрольно-измерительного оборудования. На третьем этапе предполагается разработка генераторов электрического тока и систем охлаждения на базе ВТД большой площади.
Литература
Hishinuma Y., Geballe T.H., Moyzhes B.Y., Kenny T.W. Refrigeration by combined tunneling and thermionic emission in vacuum: Use of nanometer scale design. – Appl. Phys. Lett. 78, p. 2752–2754, 2001.
Tavkhelidze A., Skhiladz G., Bibilashvili A., Tsakadze L. Electron tunneling through large area vacuum gap. – ICT-2002, Conference Proceedings, 2002.
Korotkov A.N., Likharev K.K. Cooling by resonant Fowler-Nordheim emission. – Physica B 284–288, p. 2030–2031, 2000.
В 2000 году компания Cool Chips заявила о начале разработок твердотельных вакуумных туннельных диодов (ВТД), предназначенных для использования в устройствах охлаждения и производства электроэнергии. Типичный ВТД представляет собой два металлических или полупроводниковых электрода, разделенных вакуумным промежутком шириной в несколько нанометров. При нагревании одного из электродов возникает туннельный поток электронов от горячего электрода к холодному через вакуумный зазор, создавая ТЕРМОЭДС, величина которой пропорциональна разности температуры между электродами.
Основные преимущества применения ВТД в охлаждающих приборах:
высокая эффективность по отношению к циклу Карно, которая, по данным Стенфордского университета, достигает 55%, что обусловлено низким обратным тепловым потоком через вакуумный зазор. Для сравнения: эффективность охлаждающих систем на базе компрессоров составляет 45%, на базе термоэлектрических приборов – 5–8%;
удельная стоимость от 0,05 до 0,10 долл./Вт. Для сравнения: удельная стоимость охлаждающих систем на базе компрессоров и термоэлектрических приборов составляет 0,1–0,2 долл./Вт и более 1,5 долл./Вт соответственно;
полное отсутствие загрязнения окружающей среды.
До сих пор практическое применение ВТД сдерживалось отсутствием технологии создания устройств с электродами большой площади и вакуумным зазором шириной 5–10 нм. Компания Cool Chips предложила изготавливать электроды ВТД путем напыления металлической пленки на подложку с последующим ее отделением, в результате чего рельеф пленки полностью повторял рельеф подложки. Расстояние между такими электродами регулировалось с помощью пьезокерамического кольца. Экспериментально была подтверждена возможность реализации ВТД с вакуумным зазором 20–50 нм и рабочей площадью электродов 1–2 см2 [1, 2]. Однако в этих работах не сообщалось, каким образом предполагается сохранять заданную величину вакуумного зазора, устранять температурные деформации электродов и ослаблять влияние вибраций в процессе работы ВТД. Также не сообщалось, каковы результаты испытаний ВТД для охлаждения реальных объектов.
Поскольку пока не удалось найти информацию о ВТД, предназначенных для производства электроэнергии, авторами были проведены предварительные квантово-механические расчеты характеристик ВТД с целью оценки перспективности их использования в качестве генераторов электрического тока. Были рассчитаны зависимости электрического тока, напряжения, электрической и тепловой мощности, а также эффективности ВТД от расстояния между электродами и их температуры.
На рис.1–3 представлены расчетные зависимости генерируемой электрической мощности Qe(d) на согласованной нагрузке (электрическое сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению ВТД) и теплового потока Qh(d) от расстояния между электродами d и температуры холодного и горячего электродов Tc и Th соответственно. На рис.4 представлена зависимость эффективности ВТД (COP(d) = Qe(d)/Qh(d)) от расстояния между электродами d.
При проведении расчетов были сделаны следующие допущения:
потенциальный барьер имеет трапецеидальную форму;
ширина барьера равна ширине вакуумного зазора;
не учитывается уменьшение ширины и высоты барьера из-за наведенного заряда на поверхностях электродов;
электроды изготовлены из одного металла;
работа выхода электронов из металла – 1 эВ, температура холодного электрода – 50°С; температура горячего электрода – 350°С, 450°С и 550°С.
Результаты расчетов показывают, что электрическая мощность и эффективность ВТД при ширине вакуумного зазора от 1 до 5 нм значительно превышают аналогичные характеристики термоэлектрических приборов, а сами ВТД могут быть использованы в качестве генераторов электрического тока в диапазоне температур источников тепла 300–600°С.
При учете влияния наведенного на поверхности электродов заряда, приводящего к уменьшению ширины и высоты потенциального барьера, а также увеличению туннельного тока через барьер, характеристики ВТД улучшаются.
С целью создания высокоэффективных ВТД большой площади для генераторов электрического тока необходимо решить следующие задачи:
определить материалы электродов (проводники или полупроводники) с оптимальной работой выхода электронов;
определить формы поверхности и микрорельефа электродов;
разработать технологии создания и поддержания вакуумного зазора между электродами в диапазоне 1–5 нм;
разработать технологии нанесения на холодный электрод слоев материалов, уменьшающих работу выхода электронов;
разработать технологии нанесения на холодный электрод слоев материалов с зонной структурой, имеющей дискретные уровни в запрещенной зоне или зону проводимости, расположенные на несколько kTh (k – постоянная Больцмана, Th – температура дырок) выше уровня Ферми в холодном электроде, что обеспечивало бы резонансное туннелирование электронов только в интересующем диапазоне их энергии [3];
разработать конструкцию и технологию изготовления электродов из термоэлектрических материалов, обеспечивающих дополнительный вклад в электрическую мощность;
разработать динамические системы.
Необходимо отметить, что создание ВТД большой площади может быть реализовано только на базе новых идей и современных нанотехнологий.
Целесообразно разработать ВТД большой площади с использованием имеющегося научно-технического потенциала в области туннельной микроскопии, высоковакуумной техники и создания твердотельных приборов с субмикронными размерами элементов. На первом этапе предполагается выполнение следующих работ: измерение основных характеристик ВТД малой площади с использованием туннельных микроскопов; разработка технических требований к материалам электродов, их форме и качеству обработки поверхности; выполнение расчетов различных вариантов ВТД и экспериментальная проверка возможности реализации оригинальных идей изготовления ВТД большой площади. На втором этапе предполагается разработка технологических процессов изготовления ВТД, включая разработку специального технологического и контрольно-измерительного оборудования. На третьем этапе предполагается разработка генераторов электрического тока и систем охлаждения на базе ВТД большой площади.
Литература
Hishinuma Y., Geballe T.H., Moyzhes B.Y., Kenny T.W. Refrigeration by combined tunneling and thermionic emission in vacuum: Use of nanometer scale design. – Appl. Phys. Lett. 78, p. 2752–2754, 2001.
Tavkhelidze A., Skhiladz G., Bibilashvili A., Tsakadze L. Electron tunneling through large area vacuum gap. – ICT-2002, Conference Proceedings, 2002.
Korotkov A.N., Likharev K.K. Cooling by resonant Fowler-Nordheim emission. – Physica B 284–288, p. 2030–2031, 2000.
Отзывы читателей
