桑迪亞國家實驗室開發的這種硅基裝置可以捕捉并將余熱轉化為電能。

這種整流天線由普通的鋁、硅和二氧化硅制成，采用集成電路行業的標準工藝。

(圖源：ScienceDaily)

直接將電能轉化為熱能很容易。它經常發生在你的烤面包機里，也就是說，如果你經常烤面包的話。

相反，把熱能轉換成電能，并不容易。

來自桑迪亞國家實驗室的研究人員已經開發出一種小型硅基設備，它可以利用以前被稱為“余熱/廢熱”的物質，并將其轉化為直流電源。他們的進展最近發表在《物理評論應用(Physical Review Applied)》上。

“我們已經開發出一種從廢熱中回收能量的新方法。汽車引擎產生大量的熱量而這些熱量都浪費了，不是嗎?想象一下，如果你能把發動機的熱量轉換成混合動力汽車的電能。這是朝著這個方向邁出的第一步，但還需要做更多的工作。”該研究的主要研究員、物理學家Paul Davids說。

“在短期內，我們希望制造一種小型紅外電源，或許可以取代放射性同位素熱電發電機。”

這種發電機被稱為RTGs，用于為空間任務中的傳感器供電，這些傳感器無法獲得足夠的直射陽光來為太陽能電池板供電。

Davids的設備是由普通和豐富的材料制成的，例如鋁、硅和二氧化硅(或玻璃)，以非常不尋常的方式組合在一起。

硅設備捕捉、輸送并將熱量轉化為電能

這個設備比小指小，厚度只有一角硬幣并帶有金屬光澤。頂部是鋁，上面的條紋大約是人類頭發寬度的20倍。

這個圖案雖然太小了，肉眼看不到，但它是用來接收紅外輻射的天線。

在鋁的頂部和硅的底部之間有一層非常薄的二氧化硅。這一層大約有20個硅原子厚，比人類頭發薄1.6萬倍。

該圖案和蝕刻的鋁天線將紅外輻射傳輸到這個薄層。

被困在二氧化硅中的紅外輻射會產生非常快的電振蕩，大約每秒50萬億次。它以不對稱的方式推動電子在鋁和硅之間來回運動。

這個過程叫做整流，產生凈直流電流。

這個團隊把它的設備稱為一個紅外硅整流二極管天線，一個整流天線的合成器。

它是一種固態設備，沒有運動部件堵塞、彎曲或斷裂，也不需要直接接觸熱源，這可能導致熱應力。

紅外硅整流二極管天線的生產工藝通用

由于該團隊利用集成電路產業所使用的相同工藝制作紅外硅整流二極管天線，所以它很容易增減，該論文的第一作者Joshua Shank說，他測試了這些設備，并在他是桑迪亞博士后研究員的時候對基礎物理進行了建模。

他補充說，“我們有意將重點放在可增減的常用材料和過程上。從理論上講，任何商業集成電路制造設備都可以制造這些紅外硅整流二極管天線。”

這并不是說目前制造這些設備很容易。

負責工藝開發的制造工程師羅布·賈勒基(Rob Jarecki)說:“在外層下面有巨大的復雜性，設備需要各種各樣的加工技術來制造它們。”

Jarecki說，最大的制造挑戰之一是在硅中加入少量其他元素，或者摻雜這些元素，使其像金屬一樣反射紅外線。

“通常情況下，你不能加入太多硅，也不能太少，這種情況下，我們需要在不破壞材料的情況下盡可能多地摻雜它。”

這些設備是在桑迪亞的微系統工程、科學和應用綜合等實驗室中制造的。

該團隊已經獲得了紅外硅整流二極管天線的專利，并已申請了其他多項專利。

該研究小組在《物理評論應用(Physical Review Applied)》雜志上發表的紅外硅整流二極管天線每平方厘米產生8微瓦功率，使用的是一盞專業的熱燈，溫度為840度。

就環境而言，一個典型的太陽能計算器使用大約5微瓦，所以他們需要一個比標準紙張稍大一點的紅外硅整流二極管天線來給計算器供電。

因此，該團隊有許多未來改進的想法，使紅外硅整流二極管天線更有效。

他們未來的工作是提高效率

這些想法包括制作紅外硅整流二極管天線的頂部圖案使用了2D x，而不是一維條紋，以吸收所有偏振的紅外光;

將整流層重新設計為全波整流，而不是目前的半波整流;

在更薄的硅片上制作紅外直紋，以減少由于電阻造成的功率損失。

通過改進設計和提高轉換效率，單位面積的輸出功率將會增加。

Davids認為，在五年內，紅外硅整流二極管天線可能是一個很好的替代RTGs的小型電源。

Shank說:“我們需要繼續改進，以與RTGs相媲美，但是紅外硅整流二極管天線對于任何需要長期可靠工作的應用都是有用的，在這些應用中，你不能只需要更換電池就可以了。然而，我們不會成為太陽能電池板的替代能源，至少在近期內不會。”

Davids補充說:“我們一直在努力解決這個問題，現在我們開始看到電力轉換取得了相對較大的進展，我認為有一條路可以替代熱電。到達目前的情況感覺很好。如果我們能擴大規模，改變世界，那就太好了。”

這項研究由桑迪亞實驗室指導的研究和開發項目資助。

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