Холодильник для микромира

Команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала термоэлектрический охладитель толщиной всего сто нанометров. Это самый маленький «холодильник» в мире
Термоэлектрические холодильники, конечно, не похожи на наши обычные. Они работают следующим образом: между металлическими пластинами зажаты два разных полупроводника. Тогда могут произойти две вещи. При нагревании одна сторона нагревается, а другая остается холодной. Затем эту разницу температур можно использовать для выработки электроэнергии. Зонды «Вояджеров», которые сейчас, плывут в межзвездном пространстве, питаются от устройств такого типа. Однако этот процесс может быть выполнен и в обратном порядке. Когда к устройству подается электрический ток, одна сторона становится горячей, а другая — холодной. Это позволяет ему служить «кулером». Этот тип технологии может быть использован для охлаждения электронных устройств, для регулирования температуры в оптоволоконных сетях или для уменьшения «шума» изображения в телескопах и других цифровых камерах высокого класса.
Физики из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе смогли уменьшить термоэлектрическое охлаждение более чем в 10 000 (!) раз по сравнению с предыдущим термоэлектрическим охладителем меньшего размера. Для этого они использовали два стандартных полупроводниковых материала: теллурид висмута и теллурид сурьмы-висмута, превращенный в микроскопические «хлопья». Затем они изготовили функциональные устройства, невидимые невооруженным глазом, толщиной всего сто нанометров и общим активным объемом около одного кубического микрометра. «Мы сделали самый маленький холодильник в мире», — сказал Риган, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале ACS Nano.
Еще одной проблемой было измерение температуры, создаваемой этими устройствами в таком небольшом масштабе. Для этого физики использовали метод термометрии расширения плазменной энергии, изобретенный в 2015 году. Этот процесс определяет температуру в нанометровом масштабе путем измерения изменений плотности с помощью просвечивающего электронного микроскопа. В данном конкретном случае исследователи поместили наночастицы индия рядом с термоэлектрическими охладителями. По мере того как эти устройства охлаждались или нагревались, индий соответственно сжимался или расширялся. Таким образом, измеряя плотность индия, можно точно определить температуру этих наноохладителей.
Изображение, полученное с помощью электронного микроскопа, показывает два перекрывающихся полупроводника в темной области посередине. Здесь происходит большая часть охлаждения. Маленькие «точки» — это наночастицы индия, которые использовались в качестве «термометров».
Хотя термоэлектрические устройства используются в нишевых приложениях, их низкая эффективность по сравнению с обычными системами сжатия препятствует широкому распространению этой технологии. Другими словами, в более широком масштабе термоэлектрические устройства еще не вырабатывают достаточно электричества или не остаются достаточно холодными, отсюда и интерес к этой новой работе. Исследователи полагают, что беспрецедентное сочетание этих полупроводников однажды может быть увеличено. Это позволит разработать новый класс устройств для «охлаждения» передовых устройств микроэлектроники.