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ALL-SCALE PREDICTIVE DESIGN OF HEAT MANAGEMENT MATERIAL STRUCTURES WITH APPLICATIONS IN POWER ELECTRONICS

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Prognosen zum Wärmemanagement in neuen Materialien für die Leistungselektronik

Unsere Energieanforderungen steigen exponentiell an und verdeutlichen den dringenden Bedarf für energieeffizientere und umweltschonendere Technologien. EU-Forscher haben neuartige Modellierungsinstrumente zur Leistungsprognose neuer komplexer Materialien entwickelt, die in Leistungselektronik für die Energieverwaltung integriert werden.

Industrielle Technologien

Der Effizienzverlust, der derzeit bei Leistungsgeräten auftritt, geht vor allem auf ein schlechtes Wärmemanagement auf der Mikro- und Nanoebene zurück, was zur Senkung der Leistung und Langlebigkeit von Bauteilen führt. Neue Technologien, die auf Nickelzinkzirkonium (ZrNiSn), Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) basieren, werden entwickelt, um die Energieeffizienz zu steigern. Das Wärmemanagement in diesen neuen Technologien ist eng mit der Auslegung der Substrate verbunden, auf deren Grundlage diese Geräte hergestellt werden. Die Wärmeleitung in nanostrukturierten Systemen kann allerdings nicht über die klassische Physik makroskopischer Systeme beschrieben werden. Das EU-finanzierte Horizont-2020-Projekt ALMA adressierte diese Herausforderung durch die Entwicklung neuer Auslegungsmethoden für Wärmemanagement-Materialien und -Strukturen, die es Ingenieuren in quantitativer Weise und auf für diese neuen Geräte geeigneten Skalen ermöglichen, die Verteilung der Wärmeenergie vorherzusagen und zu verstehen. Neue Software prognostiziert Phononentransport Die Forscher entwickelten eine erstklassige quelloffene Software in Form von almaBTE – die erste Software, die eine mehrskalige Wärmemodellierung zu Prognosezwecken beinhaltet. Diese unterstützt fundamentale und industrielle Anwendungen, hat das Interesse Hunderter Nutzer geweckt und kann sogar mit einer gestützten Auslegungstechnologie verbunden werden. Das Programm kann prädiktiv den Phononentransport in Bulk-Kristallen und -Legierungen, Dünnfilmen, Übergittern und mehrskaligen Strukturen mit Größenmerkmalen im Nanometer- bis Mikrometerbereich angehen. Im Hinblick auf die technischen Eigenschaften handelt es sich bei almaBTE um ein Softwarepaket, das ausschließlich mithilfe von ab initio berechneten Mengen als Eingabewerten die raum- und zeitabhängige Boltzmannsche Transportgleichung für Phononen löst. In Halbleitern und Isolierstoffen wird der Wärmetransport hauptsächlich über Phononen vermittelt – ein Quantum Schwingungsenergie, die aus oszillierenden Atomen innerhalb eines Kristallgitters hervorgeht. Phononen sind Quantenpartikel, die sich so zu schwingungsbedingten Gitterwellen verhalten, wie sich Photonen als Quantenpartikel zu elektromagnetischen Wellen verhalten. Jetzt können neuartige Materialien untersucht werden Die almaBTE-Software ermöglichte Forschern die Umsetzung von Dingen, an die sie zuvor noch nicht einmal im Traum gedacht hätten. Hierzu zählt z. B. die Ab-initio-Modellierung des Wärmetransports in Feldeffekttransistoren. „Eine der Errungenschaften, auf die ich besonders stolz bin, ist jedoch die Fähigkeit zur Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit in Systemen mit Punktfehlern“, erklärt Koordinator Dr. Natalio Mingo. „Wir untersuchten ZrNiSn, kubisches SiC und GaN mit Fehlern in allen Fällen, wir erzielten eine exzellente Übereinstimmung mit Experimenten und enthüllten eine neue interessante Physik.“ ALMA demonstrierte, dass Wissenschaftler jetzt die Ausbreitung von Wärme in Skalen, die für die neuen Geräte angemessen sind, quantitativ vorhersagen und nachvollziehen können. Dr. Mingo meint: „ALMA half uns bei der Untersuchung neuartiger Materialien für die Elektronik wie z. B. SiC und GaN oder schwarzem Phosphor und bei der Entdeckung bislang unbekannter Aspekte, die wir in renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht haben.“ Die kostenlose almaBTE-Software, die im Rahmen von ALMA entwickelt wurde, ermöglicht Forschern ferner die Erforschung anderer Systeme, die mit dem aktuellen Energieproblem zusammenhängen. „Zu den Beispielen zählen neue nanostrukturierte thermoelektrische Materialien, Wärmebeschichtungen für Turbinen, die thermische Auslegung für Phasenwechselspeicher und nanoelektronische Verbindungen, denen allesamt Energieeffizienzprobleme in Verbindung mit dem Wärmemanagement auf den Mikro- und Nanoskalen zu schaffen machen“, lautet die Schlussfolgerung von Dr. Mingo.

Schlüsselbegriffe

ALMA, thermisch, Energie, Wärme, Phonon, almaBTE, Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC), Stromleistung

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