Bobines thermoélectriques 3D en tant que composants actifs de systèmes flexibles et déformables pour récupérer l'énergie électrique pour les technologies portables. A) Illustration schématique de la fabrication et de l'assemblage 3D. Des matériaux de type p et n à couche mince ont été modelés en formes de serpentine 2D et transférés sur une couche de polyimide (PI) pour former les matériaux actifs. Les structures précurseurs 2D ont été complétées par des jonctions métalliques et un revêtement de surface de PI modelé par photolithographie et gravure. La liaison chimique de tels systèmes à des substrats en silicone préstructurés à des emplacements sélectifs a été suivie d'un pré-étirage pour lancer un processus de transformations géométriques pour produire l'architecture 3D finale. B) Images optiques des bobines thermoélectriques 3D résultantes. La géométrie de la structure et du substrat élastomère combinés pour offrir une robustesse mécanique contre la manipulation et la déformation mécanique. C) Un réseau de 8 x 8 bobines. La vue agrandie montre que la structure 3D est cohérente avec la géométrie prédite par FEA. Le profil coloré représente la contrainte dans la jambe de silicium. D) La matrice 8 x 8 peut être attachée à la peau du poignet et de la cheville. Crédit photo :Xiwei Shan, Laboratoire UIUC, Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aau5849.
Les dispositifs semi-conducteurs miniaturisés dotés de fonctions de récupération d'énergie ont ouvert la voie aux technologies et capteurs portables. Bien que les systèmes thermoélectriques présentent des caractéristiques intéressantes dans ce contexte, la capacité à maintenir de grandes différences de température entre les terminaux des appareils reste de plus en plus difficile à atteindre avec les tendances accélérées de la miniaturisation des appareils. Par conséquent, un groupe de scientifiques en sciences appliquées et en ingénierie a développé et démontré une proposition de solution architecturale au problème dans lequel les matériaux actifs à couche mince d'ingénierie sont intégrés dans des formes tridimensionnelles flexibles (3-D).
L'approche a permis une adaptation efficace de l'impédance thermique, et multiplié le flux de chaleur à travers la moissonneuse pour augmenter la conversion de puissance efficace. Dans l'étude menée par Kewang Nan et ses collègues, des réseaux interconnectés de bobines thermoélectriques 3-D ont été construits avec des rubans à micro-échelle du matériau actif silicium monocristallin pour démontrer les concepts proposés. Des mesures quantitatives et des simulations ont été menées par la suite pour établir les principes de fonctionnement de base et les principales caractéristiques de conception de la stratégie. Les résultats, maintenant publié le Avancées scientifiques , a suggéré une stratégie évolutive pour déployer des films minces thermoélectriques durs dans des collecteurs d'énergie qui peuvent s'intégrer efficacement avec des systèmes de matériaux mous, y compris des tissus humains, pour développer des capteurs portables à l'avenir.
Les dispositifs thermoélectriques fournissent une plate-forme pour incorporer des gradients thermiques omniprésents qui génèrent de l'énergie électrique. Pour faire fonctionner des capteurs portables ou les appareils « Internet des objets », le gradient de température entre le milieu environnant et le corps humain/les objets inanimés devrait fournir des alimentations électriques à petite échelle. Les progrès continus dans le domaine se concentrent sur la réduction agressive des besoins en énergie des systèmes miniaturisés afin d'améliorer leur potentiel dans les applications thermoélectriques et de récupération d'énergie. Les processeurs intégrés et les émetteurs radio, par exemple, peuvent fonctionner avec une puissance de l'ordre de quelques sous-nanowatts, certains exemples récents sont motivés par la récupération d'énergie basée sur la lumière ambiante et le potentiel endocochléaire. De telles plates-formes peuvent être associées à des capteurs de puissance similaire pour permettre une distribution, surveillance environnementale/biochimique continue et à distance.
Deux défis clés dans le développement de moissonneuses thermoélectriques miniaturisées comprennent l'adaptation de l'impédance thermique et la conformité mécanique requises des matériaux actifs à intégrer dans les systèmes biologiques. Un système bien développé pour la flexibilité de l'appareil comprend la combinaison de polymères en film mince avec des feuilles métalliques telles que des fils ou des rubans. Dans l'étude, Nan et al proposent et démontrent une solution en développant un système précurseur bidimensionnel (2-D) dans le développement de bobines hélicoïdales 3-D fonctionnelles. La nature naturellement flexible des bobines a permis aux systèmes de se conformer à des surfaces biologiques complexes, même ceux dynamiques avec le temps, pour assurer un excellent contact thermique avec la source de chaleur. Par ailleurs, la nature 3-D du système a fourni une augmentation multiple de la surface pour une capacité d'échange de chaleur plus élevée pour produire une puissance maximale.
L'architecture de la bobine hélicoïdale thermoélectrique a été fabriquée en utilisant du silicium monocristallin comme matériau actif. L'assemblage guidé mécaniquement a généré des structures hélicoïdales 3D à partir de serpentines 2D via un flambement compressif. Les serpentines incorporaient des rubans de silicium avec des segments de type p et n, et le système a été encapsulé en haut et en bas avec des revêtements polymères. L'architecture a permis la transformation du système de 2D à 3D pendant le déploiement et l'utilisation. Bien que fortement dopée au silicium, les bobines 3D ont pu fournir des niveaux remarquables de conformité mécanique et de robustesse lors des applications de manutention et de pliage. L'assemblage ne s'est pas considérablement écarté de la géométrie prédite à l'aide de l'analyse par éléments finis (FEA). De telles caractéristiques matérielles ont rendu le système bien adapté pour former des interfaces thermiques intimes avec le corps humain, comme le poignet ou les chevilles.
Déformabilité mécanique et durabilité des récolteuses thermoélectriques 3D. A) distributions simulées de déformation dans la jambe thermoélectrique de silicium avant et après étirement uniaxial dans le plan de 60 pour cent. Les résultats ont indiqué des réductions de la contrainte sur l'étirement comme prévu sur la base du flambement compressif utilisé pour former des structures 3D. B) Résultats d'essais expérimentaux de durabilité impliquant plusieurs cycles d'étirement et de relâchement uniaxial sur une structure de bobine. Les données n'ont indiqué qu'une faible augmentation de la résistance électrique. C) Images optiques (en haut) et structures simulées (en bas) après étirement dans le plan. D) Valeurs simulées de la déformation locale maximale. Une compression maximale de 26 % est possible avant d'atteindre la déformation à la rupture du silicium – le facteur limitant du système. L'encart montre la structure déformée après compression et comprend une carte de répartition des contraintes de la jambe de silicium le long du point de fracture. E) Mesures expérimentales de la résistance du dispositif lors de la compression verticale. À une compression de 40 pour cent, le dispositif a montré un comportement en circuit ouvert en raison d'une fracture du silicium. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aau5849.
Pour améliorer les propriétés mécaniques et thermiques des bobines 3D, les scientifiques ont utilisé le logiciel FEA pour l'optimisation guidée par calcul du dispositif résultant. En principe, l'architecture 3-D de l'appareil était avantageuse pour une récolte efficace. Par conséquent, intentionnellement, le système de bobines hélicoïdales 3-D comprenait une géométrie effilée qui augmentait en largeur vers le haut, conçue à l'aide de FEA pour optimiser les réponses thermiques et mécaniques. Le schéma de conception de l'étude a été amélioré spécifiquement pour la récolte dans des appareils miniatures. L'augmentation de la capacité de refroidissement de la conception de l'appareil présentait de plus grands avantages pour contraster les pertes dues au flux de chaleur parasite dans le système.
Nan et al, a également réalisé des tests de conformité mécanique sur les appareils pour comprendre leur capacité à supporter des flexions importantes, étirement dans le plan et compression hors du plan, comme pour les rapports précédents. Les structures 3-D peuvent être étirées jusqu'à 60 pour cent dans la direction dans le plan pendant cent cycles et compressées verticalement jusqu'à 30 pour cent, avec une dégradation minimale des propriétés électriques. Les appareils ont montré une conformité mécanique exceptionnelle comme prédit par la FEA. L'étirement uniaxial sur 200 cycles n'a pas entraîné de défaillance électrique ou mécanique. La bobine 3-D a montré une résilience avec un potentiel d'intégration interfaciale dans des dispositifs miniatures.
Récupération d'énergie avec des bobines thermoélectriques et une feuille de route pour l'amélioration de la puissance. A) Illustration schématique des conditions de mesure testant les performances des dispositifs de récolte. B) Caractéristiques de puissance de sortie mesurées montrant une puissance maximale de 2 nW. C) Puissance de sortie projetée obtenue en utilisant des matériaux thermoélectriques connus avec une figure thermoélectrique des matériaux zT supérieure à celle de Si. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.aau5849.
Les projections de puissance de sortie des dispositifs de récolte ont également été caractérisées pour montrer des résultats cohérents alignés sur les attentes de conception. La tension en circuit ouvert de l'appareil n'a pas diminué dans le temps dans les mesures indiquant que le profil thermique de l'appareil était dans un état stable. Dans l'étude, les auteurs ont généré une feuille de route pour l'amélioration de la puissance et un schéma de fabrication pour concevoir des dispositifs de récupération d'énergie avec des matériaux autres que le silicium, y compris des variantes organiques.
Les auteurs recommandent des recherches supplémentaires sur les méthodes de dépôt, dopage et modelage des matériaux organiques et composites. Les matériaux ne doivent pas succomber à la résistance électrique lors de la transformation mécanique du 2-D au 3-D. Avec le silicium utilisé dans l'étude, une multiplication par trois de la résistance a été observée lors de la transformation potentiellement due au contact des électrodes, dégradation de l'appareil ou déformation plastique dans certaines parties de l'appareil. L'étude représente une stratégie prometteuse pour intégrer des matériaux à couche mince dans les moissonneuses avec des systèmes de matériaux mous (y compris la peau humaine) pour réaliser à l'avenir des appareils électroniques portables énergétiquement optimisés.
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