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.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #6/2014
С.Нестеров, А.Холопкин
Вакуумные туннельные диоды
Просмотры: 6398
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.
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.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art