thermal transport

7/25/2019 Thermal Transport

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THERMAL

PROPERTIES

FISICA de

NANOMATERIALESAitor Lopeandia

Associated ProfessorDespatx: C5-250Department of Physics

Universitat Autnoma de Barcelona


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OUTLINE

Thermoelectricity: Seebeck and Peltier effect. Figure of merit. Infuenceof dimensionality. Applications. Experimental.

Thermal transport: Macroscopic theory. Fouriers LawMicroscopic Theory: Kinetic approach

Phonons: Macroscopic theory. Fouriers LawMicroscopic Theory: Kinetic approach

Specific heat: Lattice and electronic contributions. Examples

Phase transitions of low-dimensional materials: Melting behaviourof nanoparticles. Curie transition. Glass transition. Experimental: Calorimetry

Thermal conductivity: Influence of dimensionality. Experimental

THERMAL PROPERTIES OF NANOMATERIALS


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BIBLIOGRAPHY / GENERAL REFERENCES

Nanoscale Energy Transport and Conversion, Gang Chen.

NanoMicroscale Heat Transfer, Zhang.

Solid State Physics, Ashcroft and Mermin.

Introduction to Solid State Physics. Charles Kittel.


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READING TASK: EFFECTS ON HEAT CAPACITY DUE TO FINITE SIZE DIMENSION


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1 SESIN


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Shall we talk

about enegy


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Perspectiva energtica?


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+ 50% demanda en el 2030

Consumo energtico mundial petrleocarbngas

nuclear

hidro28%

36%

23%

6% 5%

88% fuentes fsiles

Consumo energtico global


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Poblacin

7000 millones

2 kWh por

persona/dia!!!

15 TW

En 2008, la potencia energtica promedio consumida a nivel

mundial fue 15 TW = 1,5x1013 W ; en energa 474 exajulios474x1018julios

Consumo energtico global

m= 70 Kg

v= 20 km/h

100-200 Wdurante 1h

20-10 horas


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Flujo de ENERGTICO


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Calentamiento Global I


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Evolucin emisiones CO2

SOURCE: http://climate.nasa.gov/evidence


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Cmo vamos de reservas?

2004 Petrleo(x 1000 M barriles)

Gas(x1000 Millones de m3)

Carbn(M tons)

Reservas 1210 182.000 900.000Consumo 30 2950 6.4Aos 40 62 132

0

400

800

1200

1600

1860 1900 1940 1980 2020 2060

Exajou

les

otras

Fsil

NuclearHidroelctrica

Renovables

DesconocidasEUROPEANCOMMISSION


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3.000.000 AC 3.000 BC

Opcin A

Opcin B

Consumocombustibles

fsiles

Toca elegir camino !!


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AHORRO/EFICIENCIA ALMACENAMIENTOGENERACIN/CONVERSIN

Fotovoltaica

Pilas de combustible

Trmica solar

Termoelctricosetc

Aislamiento trmico

Solid State Lighting

Termoelctricos

Cables superconductores energy harvesting

etc.

Almacenamiento H2Bateras de ltioUltracondensadores

etc

ENERGA EFICIENTE

CIENCIA DE MATERIALES

NANOTECNOLOGA


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Qu papel puede jugar laTERMOELECTRICIDAD ?

FUENTE CALOR ELECTRICIDAD

GENERACIN

REFRIGERACIN


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Thomas Seebeck1770-1831

Jean Charles Peltier1785-1845

Trmica Elctrica Elctrica Trmica

Efecto Seebeck

--1821

Efecto Peltier

-- 1834

Calor corriente elctrica Corriente refrigeracin

Termoelectricidad


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Efecto Seebeck

ntipoyptipoTT

V

00;

12

Generacin

S C ff


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Seebeck Coefficient

S b k C ffi i f l


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Seebeck Coefficient for metals

S b k C ffi i t f t l


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Seebeck Coefficient for metals

Ef t P lti f


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Efecto Peltier

Cuando circula una corriente por una barrase crea una T entre los extremos de la barra

IQ /

Coeficiente Peltier

Energa

MetalMetal

Semicond.

Refrigeracin

iEf t P lti


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imageEfecto Peltier

Ef t P lti


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Efecto Peltier

P lti fi i t


27/55

Peltier coeficient

f f d


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Eficiencia y figura de merito ZT

hch

ch

TTZT

ZT

T

TT

/1

11h

Eficiencia termoelctrica

Eficiencia de una mquina trmica

conductividad trmica conductividad elctrica

S Coeficiente Seebeck

h

ch

entrada

salida

T

TT

E

E

E

)(W

dasuministra

neto h

TS

ZT

2

Figura de mrito Powerfactor

fi i i fi d i


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From D.J. Paul

Eficiencia y figura de merito ZT

Figure of merit ZT


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Figure of merit ZT

region of interest

ZT= K

S2

T

P i i


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Pero vs mquinas trmicas.

Simple Escalable Portable

P i i


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Pero vs mquinas trmicas.

Aplicaciones actuales de la termoelectricidad


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HeatGenerator

Calor til

Calor de desecho

PowerRecovery

Device

Electricidad

Calor

Generador

Potencia

RecuperacinDispositivo


SIMPLICIDAD PORTABILIDAD o DESLOCALIZACIN



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Generador Termoelctrico de Radioistopos


Desintegracin radioactivadel 238Pu en partculas alfa.



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12V refrigerador/calefactor de tazas/latas Sistema de control deTemperatura

en vehculos

Sistemas de visin nocturna

por infrarrojosRefrigeracin de lseres

Reloj termoelctrico



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Evidentemente este NO es elFIN DE LA HISTORIA !!!

EMPEZAMOS LA BSQUEDADEL GRIAL!!

ZT>2


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2 SESIN


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Evidentemente este NO es elFIN DE LA HISTORIA !!!

EMPEZAMOS LA BSQUEDADEL GRIAL!!

ZT>2

CINCIA DE MATERIALES

Ci i d M t i l


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4000 3000 2000 1000 19601 1000 1900 1990 2010

Edat de pedra

(~35000 anys)

AC DC

Edat de bronze

(~ 1800 anys)

Edat de ferro

(~ 3300 anys)

Formig i acer

(~ 60 anys)

Edat del polmer

Edat del silici

Edat de la informaci

NANO?

CINCIA DE MATERIALESCiencia de Materiales

Dimensionalidad y ZT


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Dimensionalidad y ZTEarly90s Dresselhauss

Hicks, L. D. & Dresselhaus, M. S. Thermoelectric figure of merit of a one-dimensional

conductor. Phys. Rev. B 47, 1663116634 (1993).

S 2Dimensionalidad y ZT


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TS

ZTphe

Dimensionalidad y ZTLow dimensionality provides:

1.- Quantum size effects: Enhancement of the electron density ofstates increase of the Seebeck coefficient.

D E dS

E kS E

( )( )

( )

4

13

Dimensionalidad y ZT S2


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Hicks, L. D. & Dresselhaus, M. S. Thermoelectric figure of merit of a one-dimensional

conductor. Phys. Rev. B 47, 16631

16634 (1993).

Low dimensionality provides:

2.- Increase the boundary scattering of phonons at the barrier-wellinterfaces, without as large increase in electron scattering at theinterface. If the width of the semiconductor is smaller than the mean

free path of phonons and larger than that of electrons or holes

Dimensionalidad y ZT TSZTphe


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Evolucin de la ZT


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Evolucin de la ZT

Evolucin de la ZT


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Evolucin de la ZT

Vineis et al.Advanced materials, 22, 2010

The transistor


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John Bardeen, William Shockley and WalterBrattain at Bell Labs, 1948.

A stylized replica of the firsttransistor invented at Bell Labs onDecember 23, 1947.

The transistor


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Energy disipation and transport in nanoscaled devices


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gy p p

Eric Pop,

EXAMPLE


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Venkatasubramanian et al. Nature, (2001) 597-.

Localized and high-speed heating/cooling

with thin film devices

EXAMPLE


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Example: Phonon-blocking/electron transmitting interfaces in Si/Ge and other superlattices

Use of the acoustic mismatch between the superlattice components to reduce ph.

Bi2Te3/Sb2Te3 superlattices show significantly reduced ph.

Venkatasubramanian et al. Nature, (2001) 597-.

If the mean free path of phonons spans multiple interfaces in a superlattice

Phonon band gaps may appear

Phonon dispersion relation is modified.

Localized and high-speed heating/coolingwith thin film devices

Aplicaciones --- Nanorefrigerador


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p g

Si substrate

SL

Metal contact

Insulating

layer

Si substrateSi substrate

SL

Metal contact

Insulating

layer

Zona caliente~700 W/cm2

microrefrigerador con ZT~0.5enfriamiento 1000 W/cm2 en 15oC

Integracin de SiGe en circuitos integrados base Silicio

Thermoelectric efficiency in Silicon (Hochbaum et al. Nature 451 (2008)


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Microgenerator using Si nanowires


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g g

Davila et al. NANO ENERGY 1, 812-819 (2012)

Microgenerator using Si thin films


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g g

Gnams work. NANO ENERGY (2014)

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