Yapay zekanın kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır ve buna bağlı olarak gelişmiş elektronik ve veri altyapılarının saysı da artmaktadır. Ancak bu alt yapıların elektroniklerinin hızlı ve verimli bir şekilde çalışabilmesi için güçlü soğutma sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Mevcut sistemler çok yer kaplamakta ve çok fazla enerji tüketmektedir. Örneğin bugünkü teknoloji ile bir veri merkezinin elektrik tüketiminin yaklaşık %40'ını sadece soğutma sistemi kullanmaktadır. Ayrıca küçük çaplı uygulamalar için daha küçük soğutma sistemlerine ihtiyaç olması, hem daha verimli hem de daha kompakt soğutma teknolojilerine yönelik araştırmaları arttırmaktadır.

Geleneksel soğutma sistemleri etkili olsa da ölçeklenebilirliği sınırlı olmakta ve çevreye zararlı olabilen kimyasal soğutucular barındırmaktadır. Kimyasal soğutuculara bağlı olmayan ve ölçeklenebilirliği kolay olan termoelektrik tabanlı soğutma, daha temiz soğutma sistemleri için potansiyel bir çözüm olarak kabul edilmektedir. Bu yöntem ile ısı, özel yarı iletken malzemelerin termoelektrik özelliklerinden faydalanılarak yarı iletkenin bir tarafından diğer tarafına aktarılır. Bu teknoloji hareketli parçalara veya zararlı kimyasallara gerek kalmaksızın soğutma işlevini sessiz, kompakt ve ölçeklenebilir bir şekilde yapabilmektedir. Geleneksel termoelektrik malzemeler, mini buzdolapları gibi küçük cihazlarda kullanılmaktadır ancak verimliliklerinin sınırlı olması, düşük ısı pompalama kapasiteleri ve ölçeklenebilir yarı iletken çip üretimiyle uyumsuzlukları, yüksek kapasiteli sistemlerde daha geniş bir şekilde kullanılmalarını engellemiştir.

APL'den bir araştırmacı ekibi ve Samsung Research 'ten soğutma mühendisleri, Kontrollü Hiyerarşik Olarak Tasarlanmış Süper Örgü Yapılar (CHESS - Controlled Hierarchically Engineered Superlattice Structures) kullanarak termoelektrik malzemelerin ısı pompalama verimliliğini ve kapasitesini artırdığını Nature Communications'da yayımladıkları bir makalede gösterdiler.

Kontrollü Hiyerarşik Mühendislikli Süper-Örgü Yapıları (CHESS) Nedir ve Nasıl Çalışır?

Kontrollü Hiyerarşik Mühendislikli Süper-Örgü Yapılar (CHESS), termoelektrik performansı artırmak için nano ölçekte tasarlanmış, katmanlı ve periyodik yapılara sahip ince film malzemelerdir. Bu yapılar, bir ana malzeme üzerinde ince yarı iletken filmler büyütmek için kullanılan Metal-Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) yöntemiyle üretilir. Bu yapıların atomik katman kalınlıklarının ve ara yüzeylerin kontrollü bir şekilde tasarlanması sayesinde termal iletkenliği düşük olurken elektriksel iletkenliği korunur.

CHESS, elektron ve fonon taşınmasını ayırmak için nano ölçekli katmanlı yapısını kullanır. Farklı malzemeler arasındaki periyodik arayüzler, fononları (ısı taşıyan titreşimler) dağıtır ve termal iletkenliği önemli ölçüde azaltır. Epitaksiyel büyüme ile oluşturulan yapı, elektriksel iletkenliği ve Seebeck katsayılarını korur. Elektriksel performans korurken ısı transferinin seçici bastırılması, yüksek bir ZT ile sonuçlanır (300 K'de p tipi CHESS için >2 ve n tipi CHESS için ~2).

Termoelektrik verimliliğin göstergesi olan "ZT", bir malzemenin elektriği metal gibi iletirken ısıyı cam gibi bloke etme yeteneğinin ölçüsüdür. Termoelektrik malzemelerin hem ısıdan elektrik üretme sistemlerindeki hem de elektrikle soğutma sistemlerindeki kullanımlarında en çok aranan özellik Termoelektrik Verimliliktir.        

CHESS'in Avantajları

• Yüksek ZT sayesinde, sistem daha az elektrik enerjisiyle daha fazla ısı transferi yapabilir. Örneğin, 1.3°C sıcaklık farkında sistem düzeyinde CoP (Performans Katsayısı) ~15 değerine ulaşır (geleneksel termoelektrik sistemlerden %100–300 daha verimli).
• CHESS malzemeleri 25 µm kalınlığında ince filmler halinde üretilir, bu da geleneksel termoelektrik malzemelere kıyasla 1/1000 oranında aktif madde gerektirir. Bu, maliyeti düşürürken kompakt ve hafif modüllerin tasarlanmasını sağlar. Özellikle taşınabilir soğutucular veya elektronik soğutma gibi uygulamalar için idealdir.
• .CHESS malzemeler, MOCVD tekniği ile seri olarak üretilebilir.
• Ölçeklenebilirliği kolaydır ve kullanım alanına göre boyutları ayarlanabilmektedir.
• Hareketli parça içermeyen katı hal yapısı, titreşim ve darbelere (350 G'ye kadar) dayanıklılık sağlar. Bu, uzay, tıbbi cihazlar veya taşınabilir sistemlerde kullanım için kritik bir avantajdır.

Sonuç ve Değerlendirme

Nano mühendislikle optimize edilmiş termoelektrik malzemeler, yüksek verimlilik, düşük maliyet ve çevre dostu bir katı hal soğutma çözümü sunar. Bu teknoloji, günümüzün artan soğutma ihtiyacının karşılanmasında geleneksel sistemlere göre daha sürdürülebilir ve daha ölçeklenebilir bir alternatif olarak öne çıkmaktadır