Une équipe de recherche dirigée par Joe Feser du Département de génie mécanique de l'Université du Delaware a développé une nouvelle approche pour simuler le transfert de chaleur à l'échelle nanométrique dans les matériaux.
Matériaux thermoélectriques, qui peut convertir directement et réversiblement la chaleur en énergie électrique, sont utilisés dans une variété d'applications, y compris le refroidissement des appareils électroniques et la conversion de l'énergie thermique résiduelle.
Un défi persistant associé aux matériaux thermoélectriques est l'efficacité - s'ils pouvaient être conçus pour convertir plus efficacement la chaleur en électricité, la porte serait ouverte à un large éventail d'applications pratiques.
Pour les rendre plus efficaces, les matériaux doivent agir comme un isolant thermique tout en se comportant électroniquement comme un conducteur, une caractéristique que l'on ne trouve pas souvent dans les matériaux naturels.
Un groupe de recherche dirigé par Joe Feser, professeur assistant au Département de génie mécanique de l'Université du Delaware, étudie les limites du transport de chaleur à l'aide d'une suite de nouveaux outils pour la mesure et la simulation thermique à l'échelle nanométrique, avec un œil sur la création de matériaux plus efficaces sur le plan thermoélectrique.
Une stratégie commune employée par son groupe est l'utilisation de nanoparticules pour disperser les vibrations caloporteuses, connu sous le nom de phonons. L'équipe développe des outils pour étudier la diffusion des phonons afin que la taille, forme, et la composition des nanoparticules peut être optimisée pour les applications thermoélectriques.
Phonons diffusés à partir d'une simulation atomistique de nanoparticules de germanium noyées dans un semi-conducteur en silicium. Le germanium lourd diffuse fortement les ondes entrantes du silicium, mais est si lourd que ses atomes bougent à peine. Le logiciel est capable de simuler une région de silicium infiniment grande en absorbant l'énergie des ondes sortantes dans une boîte mince sur le bord extérieur de la simulation appelée "couche parfaitement adaptée" (surlignée avec des lignes pointillées) qui agit comme une éponge -- absorber l'énergie sans la renvoyer vers la nanoparticule.
Feser et le doctorant Rohit Kakodkar ont récemment rapporté une nouvelle approche de ce problème dans un article, "Un cadre pour résoudre les problèmes de diffusion de structure phononique atomistique dans le domaine fréquentiel en utilisant des limites de couche parfaitement adaptées, " dans le Journal de physique appliquée .
Le nouveau cadre réduit considérablement la quantité de puissance de calcul nécessaire pour simuler la diffusion des phonons et augmente considérablement la taille maximale des systèmes pouvant être étudiés à l'aide d'ordinateurs.
Feser explique que les modèles de mécanique du continu, qui, dans un souci d'efficacité, ignorer le fait que la matière est composée d'atomes - sont traditionnellement utilisés pour expliquer des phénomènes comme la diffusion des phonons. Cependant, alors que cette approche est suffisamment précise sur des échelles de longueur supérieures à la distance entre les atomes, il peut ne pas être efficace pour caractériser le comportement des ondes de longueur nanométrique, qui sont souvent les longueurs d'onde impliquées dans le transport de la chaleur.
La solution évidente est d'avoir des simulations qui incluent une équation pour chaque atome individuel et de suivre le comportement sur une longue période de temps, mais c'est là que le blocage informatique se produit. Les techniques traditionnelles telles que la dynamique moléculaire sont trop lentes pour simuler séparément la diffusion de chaque vibration transportant de la chaleur, et d'autres techniques existantes sont limitées dans leur capacité à simuler de grands systèmes.
Le modèle atomistique développé par Feser et Kakodkar peut résoudre un grand nombre d'atomes à la fois. "Fondamentalement, ce que nous avons fait est de supprimer la physique inutile et d'intégrer des faits que nous connaissons déjà sur les solutions dans la procédure de solution, ", dit Feser.
Une autre utilisation importante du nouvel outil est qu'il a permis aux chercheurs de régler des controverses de longue date sur la façon de décrire la physique des phonons rencontrant des interfaces, c'est-à-dire s'ils traversent de manière cohérente ou se dispersent de manière diffuse - et surtout comment le désordre change cela. Le framework a également l'avantage de pouvoir être mis à l'échelle pour une utilisation avec des supercalculateurs, qui sont de plus en plus utilisés pour des simulations complexes.
Finalement, l'objectif est d'avoir un contrôle précis sur la conception de nouveaux matériaux au niveau de leurs plus petits constituants.
« La conception de nouveaux matériaux qui repoussent les limites des propriétés de transport réalisables, c'est-à-dire conductivité thermique, conductance d'interface, capacité thermique, et le facteur de puissance thermoélectrique - permettra le développement de nouvelles technologies d'appareils basées sur ces matériaux, ", dit Feser.
