Alman, İtalyan ve İngiliz bilim insanları, çiplerden enerji elde etmek için kullanılabilecek materyallerin yaratılmasında büyük ilerleme kaydetti. Bilgisayar işlemcilerinden gelen ısıyı kullanılabilir elektriğe dönüştürebilen silikon, germanyum ve kalay alaşımından termoelektrik bir malzeme ürettiler.
Yeni yarı iletken alaşım, tüm elemanları periyodik tablonun 4. ana grubundan geldiğinden CMOS çip üretim sürecine kolayca entegre edilebilir. Uygulamalı Enerji Malzemeleri, çalışmanın sonuçlarının yayınlandığı yerdir.
Teknolojik cihazların her yerde kullanılması nedeniyle enerji tüketimi artıyor. Isı, çevreye yayılan birincil enerji türüdür.
Akıllı cihazlar ve veri merkezleri de dahil olmak üzere BT altyapıları ve cihazları nedeniyle Avrupa’da her yıl yaklaşık 1,2 ekjoule düşük sıcaklıkta ısı kaybı yaşanıyor. Bu, Romanya veya Avusturya’nın öncelikli olarak kullandığı enerji miktarıyla yaklaşık aynı miktardadır. Zayıf termodinamik verimlilik ve teknolojik kısıtlamalar nedeniyle, 80°C’nin altındaki bu düşük dereceli ısıdan yararlanmak geleneksel olarak zor olmuştur.
Sonuç olarak, en iyi hareket tarzının düşük sıcaklıktaki ısıyı doğrudan bilgisayar işlemcileri için kullanmak olduğu görülmektedir. Ne yazık ki, ısıyı elektriğe dönüştüren malzemelerin hiçbiri bugün yarı iletken üretim tesislerinde kullanılan teknolojiyle uyumlu değil ve bunların çoğu da yok.
Alman araştırmacılar, Bologna ve Leeds Üniversitelerinden İtalyan ve İngiliz meslektaşlarıyla birlikte, CMOS süreciyle uyumlu ve çip üzerinde enerji hasadı için kullanılabilecek malzemeler oluşturma konusunda önemli ilerleme kaydetti.
Forschungszentrum Jülich’ten araştırma grubu lideri Dr. Dan Buca, germanyuma kalay eklenmesinin onu termoelektrik uygulamalar için mükemmel hale getirdiğini, çünkü malzemenin elektriksel özelliklerini korurken termal iletkenliğini azalttığını söylüyor.
Bu GeSn alaşımlarının önemli termoelektrik malzeme potansiyeli, ACS Applied Energy Materials dergisinde yayınlanan düşük kafes termal iletkenliğinin deneysel olarak doğrulanmasıyla vurgulanmıştır.
Bu, silikon bazlı bilgisayar işlemcilerinin, bu alaşımları bünyelerine katarak atık ısılarını tekrar elektrik enerjisine dönüştürebilmeleri prensibine dayanmaktadır. Çip üzerinde enerji toplamanın kullanılması, harici soğutma ve elektrik ihtiyacını azaltarak BT ekipmanını daha verimli ve çevre dostu hale getirme potansiyeline sahiptir.
Ayrıca tüm elektronik cihazlar silikon grubu olarak da adlandırılan IV. grup elementler üzerine inşa edilmiştir. Termoelektrik, fotonik ve spintronik, alaşım özellikleri sayesinde bu elementlerin kullanım bulduğu yeni alanlardan sadece birkaçıdır. Uzak gelecekte silikon bazlı teknoloji, fotonik, elektronik ve termoelektriklerin tek bir çipte entegre edilmesi gibi büyük hedeflere ulaşmayı amaçlıyor.
Bu alanları birleştirerek cihaz performansını artırmak ve daha sürdürülebilir teknolojilerin geliştirilmesini teşvik etmek mümkündür.
Makalede ileriye doğru dev bir adım attık. IHP proje lideri Prof. Giovanni Capellini’ye göre, termoelektrik bir malzeme için en önemli kriterlerden biri olan termal iletkenliği ölçmek için çeşitli alaşım bileşimlerine ve kalınlıklara sahip epitaksiyel numuneler üzerinde bir dizi farklı deneysel yaklaşım kullanıldı. “Ortak araştırmamızın ‘Yeşil BT’ altyapıları alanında büyük bir etkisi olabilir.”
IHP ve Forschungszentrum Jülich’teki araştırma grupları arasındaki verimli işbirliği devam ediyor. Uzun vadeli hedefleri arasında alaşım bileşimine SiGeSn ekleyerek malzemeyi geliştirmek ve grup IV alaşımı CSiGeSn’yi oluşturmak yer alıyor. Ayrıca grup IV alaşımlarının nasıl enerji toplayabildiğini göstermek için çalışan bir termoelektrik cihaz yapmak istiyorlar.
Bu çaba, yakın zamanda DFG’den verilen “Oda sıcaklığında enerji hasadı için SiGeSn alaşımları” başlıklı bir hibe sayesinde mümkün olmuştur. FZJ Yönetim Kurulu da ortak doktora programı aracılığıyla bu çabaya bir miktar fon sağlıyor. “Büyük veri uygulamaları için CMOS enerji hasadı” projesi.
Sıcaklık farklarının doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi, termoelektrik elemanın işlevidir. Sıcaklık gradyanı, yük taşıyıcılarının termoelektrik malzeme boyunca akmasına neden olarak enerji üretimine yol açar. Elektrikli cihazlardan gelen atık ısıyı yakalayıp geri dönüştüren bu prosedür, genel enerji kullanımını azaltabilir ve daha önce boşa harcanan ısıdan yararlanabilir.
Enerji dönüşümünün verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için, termoelektrik malzemelerin düşük ısı iletkenliğine sahip olması gerekir, böylece daha büyük bir sıcaklık farkı elde edilebilir. GeSn alaşımları, düşük ısı iletkenlikleri nedeniyle termoelektrik performanslarını artıran bu gradyanı üretmede çok iyidir.
Kaynak: TechXplore
