Optoelektronika (optika va elektronika) yorugʻlik va elektr usullaridan foydalanib axborotlarni ishlash, saklash hamda uzatish masalalari bilan shugʻullaniladigan elektronika boʻlimi

Optoelektronika (optika va elektronika) — yorugʻlik va elektr usullaridan foydalanib axborotlarni ishlash, saklash hamda uzatish masalalari bilan shugʻullaniladigan elektronika boʻlimi. Radioelektronika va hisoblash texnikasinish taraqqiyot bosqichi sifatida yuzaga keldi. Yarim oʻtkazgich va vakuum elektronikadan optik zvenosi (fotonlar aloqasi) borligi bilan farq qiladi. Fotonlar elektr jihatdan neytral boʻlganligidan optik aloka kanalida elektr va magnit maydonlari uygʻotilmaydi. Bu esa axborotlarni buzmasdan tekis uzatish va qabul qilishni taʼminlaydi. Axborotlar yorugʻlik nuri yordamida uzatilganda aloqa liniyasida elektromagnit energiyasi toʻplanib qolmaydi va sochilmaydi, shuning uchun axborot kechikmay, buzilmay, oʻz vaqtida yetkaziladi. Optik tebranishlar chastotasining yukrriligi (10y—1015 Gs) axborotlarning koʻp va tez uzatilishini taʼminlaydi. O.ning asosiy elementlari — yoruglik manbalari (lazerlar, yorugʻlik diodlari), optik muhitlar (faol va suyet) hamda fotopriyomniklar. Bu ele-mentlardan turli nisbatda va ayrim-ayrim foydalanish mumkin. O. 2 yoʻnalish — optik (kogerent O.) va elektrooptik (optronika) yoʻnalishda rivojlandi. Hisoblash texnikasi tizimini tuzishning yangi prinsipi va usullari, optik aloqa, axborotlarni eslab qolish va ishlash kogerent O. bilan bogʻliqdir. Optronikaning rivojlanishi yorugʻlik manbalari va fotopriyomniklardan toʻgʻri foydalanishga asoslangan. Optron sxemalar tuzilishi jihatidan yarimoʻtkazgichlarga nisbatan ixcham va oddiy boʻladi. Optronikaning asosiy elementi — optron. U elektr va optik signallarni kuchaytirish va oʻzgartirish, almashlab ulash, modutsilyasiyalash va boshqalarni bajaradi.
1821 yilda, Tomas Johann Seebeck ikki xil o'tkazgich o'rtasida hosil bo'lgan termal gradiyent elektr energiyasini ishlab chiqarishi mumkinligini qayta kashf etdi.^[2][3] Termoelektrik ta'sirning markazida a harorat gradyenti o'tkazuvchi materialda issiqlik oqimi paydo bo'ladi; bu zaryad tashuvchilarning tarqalishiga olib keladi. Issiq va sovuq mintaqalar orasidagi zaryad tashuvchilar oqimi o'z navbatida voltaj farqini keltirib chiqaradi. 1834 yilda, Jan Charlz Afanaz Peltier teskari ta'sirni aniqladiki, ikkita bir-biriga o'xshamaydigan o'tkazgichlarning tutashgan joyidan elektr tokining oqishi, oqim yo'nalishiga qarab, uni isitgich yoki sovutuvchi vazifasini bajarishiga olib kelishi mumkin.^[4]
Qurilish

Seebeck ta'siri a termopil temir va mis simlardan yasalgan
Termoelektr energiyasini ishlab chiqaruvchilar uchta asosiy tarkibiy qismlardan iborat: termoelektrik materiallar, termoelektrik modullar va issiqlik manbai bilan birlashadigan termoelektrik tizimlar Termoelektrik materiallar Asosiy maqola: Termoelektrik materiallar Termoelektrik materiallar harorat farqlarini elektr kuchlanishiga aylantirish orqali to'g'ridan-to'g'ri issiqlikdan quvvat hosil qiladi. Ushbu materiallar ikkalasi ham yuqori bo'lishi kerak elektr o'tkazuvchanligi (σ) va past issiqlik o'tkazuvchanligi (κ) yaxshi termoelektrik materiallar bo'lishi. Issiqlik o'tkazuvchanligining pastligi, bir tomoni qizdirilganda, boshqa tomoni sovuq bo'lib qoladi, bu esa harorat gradyanida katta kuchlanish hosil bo'lishiga yordam beradi. Elektronlar oqimining kattaligi ushbu material bo'ylab harorat farqiga javoban Seebeck koeffitsienti (S). Berilgan materialning termoelektr quvvatini ishlab chiqarish samaradorligi uning "xizmatining ko'rsatkichi”ZT = S²σT / κ. Ko'p yillar davomida asosiy uchta yarim o'tkazgichlar past issiqlik o'tkazuvchanligi va yuqori quvvat omiliga ega ekanligi ma'lum bo'lgan vismut tellurid (Bi.)₂Te₃), qo'rg'oshin tellurid (PbTe) va kremniy germaniy (SiGe). Ushbu materiallarning ba'zilari biroz qimmatga tushadigan noyob elementlarga ega va bu ularni qimmatga tushiradi Bugungi kunda yarimo'tkazgichlarning issiqlik o'tkazuvchanligi ularning yuqori elektr xususiyatlariga ta'sir qilmasdan tushirilishi mumkin nanotexnologiya. Bunga quyma yarimo'tkazgichli materiallarda zarralar, simlar yoki interfeyslar kabi nanokkala xususiyatlarni yaratish orqali erishish mumkin. Biroq, ishlab chiqarish jarayonlari nano-materiallar hali ham qiyin.

Turli Seebeck koeffitsienti materiallaridan (p-doped va n-doped yarim o'tkazgichlar) tashkil topgan, termoelektr generatori sifatida sozlangan termoelektr zanjiri. Termoelektrik afzalliklari
Termoelektr generatorlari yoqilg'i yoki sovutish uchun hech qanday suyuqlik talab qilmaydigan qattiq holatdagi qurilmalar bo'lib, ularni yo'naltirilmaslikka qarab, tortishish darajasi nolga yoki chuqur dengizda ishlatishga imkon beradi.^[6] Qattiq jismlarning dizayni qattiq muhitda ishlashga imkon beradi. Termoelektr generatorlarida harakatlanadigan qismlar mavjud emas, ular uzoq vaqt davomida parvarishlashni talab qilmaydigan ishonchli qurilmani ishlab chiqaradi. Chidamlilik va atrof-muhit barqarorligi termoelektrlarni boshqa dasturlar qatorida NASA ning chuqur kosmik tadqiqotchilari uchun sevimli qildi.^[7] Bunday ixtisoslashtirilgan dasturlardan tashqaridagi termoelektr generatorlarining asosiy afzalliklaridan biri shundaki, ular chiqindilarni issiqligidan foydalanib quvvat olish orqali samaradorlikni oshirish va atrof muhitga ta'sirni kamaytirish uchun mavjud texnologiyalarga qo'shilishi mumkin.
Termoelektrik modul Termoelektrik modul - bu issiqlikdan to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasini ishlab chiqaradigan termoelektrik materiallarni o'z ichiga olgan sxema. Termoelektrik modul uchida birlashtirilgan ikkita o'xshash bo'lmagan termoelektrik materiallardan iborat: n-tip (manfiy zaryad tashuvchilar bilan) va p-tip (musbat zaryad tashuvchilar bilan) yarimo'tkazgich. To'g'ridan-to'g'ri elektr oqimi materiallarning uchlari orasidagi harorat farqi bo'lganda elektronda oqadi. Odatda, oqim kattaligi harorat farqi bilan to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir: qayerda mahalliy hisoblanadi o'tkazuvchanlik, S - Seebeck koeffitsienti (shuningdek, termoelement deb ham ataladi), mahalliy materialning xususiyati va harorat gradyenti hisoblanadi.
Amalda elektr energiyasini ishlab chiqarishda termoelektrik modullar juda qattiq mexanik va issiqlik sharoitida ishlaydi. Ular juda yuqori haroratli gradientda ishlagani uchun, modullar uzoq vaqt davomida katta termik induksiya va kuchlanishlarga duch keladi. Ular shuningdek mexanik ta'sirga ega charchoq ko'p miqdordagi termal tsikllardan kelib chiqadi.
Shunday qilib, kavşaklar va materiallar tanlanishi kerak, shunda ular ushbu qattiq mexanik va issiqlik sharoitlarida omon qolishlari kerak. Shuningdek, modul shunday tuzilishi kerakki, ikkita termoelektrik materiallar termal ravishda parallel, lekin elektr sifatida ketma-ket bo'ladi. Termoelektrik modulning samaradorligiga uning dizayni geometriyasi katta ta'sir ko'rsatadi. Termoelektrik tizimlar Termoelektrik modullardan foydalanib, termoelektrik tizim issiq egzoz trubkasi kabi manbadan issiqlik olish orqali quvvat hosil qiladi. Ishlash uchun tizim katta harorat gradiyentiga muhtoj, bu esa real sharoitda oson emas. Sovuq tomoni havo yoki suv bilan sovutilishi kerak. Issiqlik almashinuvchilari ushbu isitish va sovutishni ta'minlash uchun modullarning ikkala tomonida ham ishlatiladi.
Yuqori haroratlarda ishlaydigan ishonchli TEG tizimini loyihalashda ko'plab muammolar mavjud. Tizimda yuqori samaradorlikka erishish modullar orqali issiqlik oqimi o'rtasidagi muvozanatni ta'minlash va ular bo'ylab harorat gradyanini maksimal darajada oshirish uchun keng muhandislik dizaynini talab qiladi. Buning uchun tizimda issiqlik almashinuvchi texnologiyalarni loyihalashtirish TEG muhandisligining muhim jihatlaridan biridir. Bundan tashqari, tizim bir necha joylarda materiallar orasidagi interfeyslar tufayli issiqlik yo'qotishlarini minimallashtirishni talab qiladi. Yana bir qiyin cheklov - isitish va sovutish manbalari o'rtasida katta bosim tushishining oldini olish. Agar AC quvvat talab qilinadi (masalan, o'zgaruvchan tok tarmog'idan ishlashga mo'ljallangan uskunani quvvatlantirish uchun) Doimiy quvvat TE modullaridan inverter orqali o'tish kerak, bu samaradorlikni pasaytiradi va tizimning narxini va murakkabligini oshiradi. TEG uchun materiallar Bugungi kunga qadar ma'lum bo'lgan bir nechta materiallargina termoelektrik materiallar sifatida aniqlangan. Bugungi kunda ko'pgina termoelektrik materiallar zT ga ega, ularning qiymati, qiymati taxminan 1 ga teng, masalan vismut tellurid (Bi.)₂Te₃) xona haroratida va qo'rg'oshin tellurid (PbTe) 500-700 K gacha. Biroq, boshqa elektr energiyasini ishlab chiqarish tizimlari bilan raqobatdosh bo'lish uchun TEG materiallari to'plamga ega bo'lishi kerak. Termoelektrik materiallarning ko'pgina tadqiqotlari ko'paytirishga qaratilgan Seebeck koeffitsienti (S) va issiqlik o'tkazuvchanligini kamaytirish, ayniqsa manipulyatsiya qilish orqali nanostruktura termoelektrik materiallarning Ikkala issiqlik va elektr o'tkazuvchanligi zaryad tashuvchilar bilan o'zaro bog'liq bo'lganligi sababli, kerak bo'lganda yuqori elektr o'tkazuvchanligi va past issiqlik o'tkazuvchanligi o'rtasidagi ziddiyatni bartaraf etish uchun yangi vositalarni kiritish kerak. Termoelektrik ishlab chiqarish uchun materiallarni tanlashda boshqa bir qator omillarni hisobga olish kerak. Ish paytida, ideal ravishda, termoelektr generatori bo'ylab katta harorat gradyaniga ega. Keyin termal kengayish qurilmada stressni keltirib chiqaradi, bu termoelektrik oyoqlarning sinishi yoki biriktiruvchi materialdan ajralishiga olib kelishi mumkin. Materiallarning mexanik xususiyatlarini hisobga olish kerak va n va p tipidagi materialning issiqlik kengayish koeffitsienti oqilona mos kelishi kerak. Segmentlarga bo'lingan holda termoelektr generatorlari, shuningdek materialning mosligini hisobga olish kerak. Materialning moslik koeffitsienti quyidagicha aniqlanadi Bir segmentdan ikkinchisiga moslik koeffitsienti taxminan ikkitadan ko'p farq qilsa, qurilma samarali ishlamaydi. S (shuningdek, zT) ni aniqlaydigan moddiy parametrlar haroratga bog'liq, shuning uchun moslik koeffitsienti qurilmaning issiq tomonidan sovuq tomoniga, hatto bitta segmentda o'zgarishi mumkin. Ushbu xatti-harakatlar o'z-o'ziga moslik deb nomlanadi va past haroratlarda ishlashga mo'ljallangan qurilmalarda muhim ahamiyatga ega bo'lishi mumkin. Umuman olganda, termoelektrik materiallarni an'anaviy va yangi materiallarga ajratish mumkin: An'anaviy materiallar Bugungi kunda ko'plab TEG materiallari tijorat dasturlarida ishlaydi. Ushbu materiallarni ishlash oralig'iga qarab uch guruhga bo'lish mumkin: Past haroratli materiallar (taxminan 450 K gacha): Qotishmalar asosida vismut (Bi) bilan birikmalarda surma (Sb), tellur (Te) yoki selen (Se). Oraliq harorat (850 K gacha): masalan, qotishmalarga asoslangan materiallar qo'rg'oshin (Pb) Eng yuqori haroratli material (1300 K gacha): ishlab chiqarilgan materiallar kremniy-germaniy (SiGe) qotishmalari Garchi ushbu materiallar termoelektr energiyasini ishlab chiqarishda tijorat va amaliy qo'llanmalar uchun asosiy tosh bo'lib qolsa-da, yangi materiallarni sintez qilish va yaxshilangan termoelektrik ko'rsatkichlar bilan moddiy konstruktsiyalarni ishlab chiqarishda muhim yutuqlarga erishildi. So'nggi tadqiqotlar panjaraning issiqlik o'tkazuvchanligini kamaytirish orqali materialning fazilatini (zT) va shuning uchun konversiya samaradorligini oshirishga qaratilgan Yangi materiallar Ushbu materiallarning bir misoli - yarim o'tkazgichli birikma ß-Zn₄Sb₃, bu juda past issiqlik o'tkazuvchanligiga ega va 670K haroratda maksimal Romanni qayta ishlash Muvaffaqiyat ko'rsatkichini (zT) oshirish uchun materialning elektr o'tkazuvchanligi va Seebeck koeffitsienti maksimal darajaga ko'tarilganda issiqlik o'tkazuvchanligini kamaytirish kerak.

Moslashuvchan ikkala tomonni ushlab elektr energiyasini ishlab chiqarish PEDOT: PSS termoelektrik qurilma

PEDOT: PSS asosidagi model tana issiqligidan elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun qo'lqopga o'rnatilgan
Tadqiqotchilar zT ko'rsatkichini takomillashtirish orqali elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun yangi termoelektrik materiallarni ishlab chiqishga harakat qilmoqdalar. Ushbu material, shuningdek, vakuumdagi ushbu haroratgacha nisbatan arzon va barqaror bo'lib, Bi asosidagi materiallar orasidagi harorat oralig'ida yaxshi alternativ bo'lishi mumkin.₂Te₃ va PbTe.^[9] Termoelektrik materiallarning eng hayajonli ishlanmalari qatorida bitta kristalli kalay selenidning ishlab chiqarilishi bo'lib, u bir yo'nalishda zT rekordini 2,6 ga etkazdi.^[12] Boshqa yangi materiallar orasida Skutteruditlar, Tetraedritlar va gumburlagan ionlar kristallari mavjud Xizmatni yaxshilash bilan bir qatorda, elektr energiyasini ishlab chiqarishni ko'paytirish, narxini pasaytirish va ekologik toza materiallarni ishlab chiqarish orqali yangi materiallarni ishlab chiqarishga e'tibor kuchaymoqda. Masalan, yoqilg'i narxi past yoki deyarli bepul bo'lganda, masalan chiqindi issiqligini qayta tiklash, keyin vatt uchun xarajat faqat birlik maydoniga va ish davriga to'g'ri keladigan quvvat bilan belgilanadi. Natijada, u konversiya samaradorligi emas, balki yuqori quvvatga ega bo'lgan materiallarni qidirishni boshladi. Masalan, noyob tuproq aralashmalari YbAl₃ past ko'rsatkichga ega, ammo u boshqa har qanday materialdan kamida ikki baravar ko'p quvvatga ega va chiqindi issiqlik manbai harorat oralig'ida ishlashi mumkin Ko'pgina hollarda bitta xususiyatni oshirish yoki kamaytirish usullari o'zaro bog'liqligi sababli boshqa xususiyatlarga bir xil ta'sir ko'rsatadi. Ishlov berishning yangi uslubi turli xil fonon chastotalarining tarqalishidan foydalanib, bir vaqtning o'zida elektronlarning tarqalishidan elektr o'tkazuvchanligiga salbiy ta'sir ko'rsatmasdan panjaraning issiqlik o'tkazuvchanligini tanlab kamaytiradi.^[13] Bizmut antimonli tellur uchlamchi tizimida suyuq fazali sinterlash elektronlarga sezilarli darajada tarqalish ta'sirini ko'rsatmaydigan kam energiyali yarim semerentli don chegaralarini hosil qilish uchun ishlatiladi.^[14] Keyinchalik yutuq, sinterlash jarayonida suyuqlikka bosim o'tkazadi, bu Tega boy suyuqlikning vaqtinchalik oqimini hosil qiladi va panjaraning o'tkazuvchanligini sezilarli darajada kamaytiradigan dislokatsiyalar hosil bo'lishiga yordam beradi.^[14] Panjara o'tkazuvchanligini tanlab kamaytirish qobiliyati hisobot qilingan zT qiymatini 1,86 ga olib keladi, bu esa zT ~ 0,3-0,6 ga teng bo'lgan hozirgi savdo termoelektr generatorlariga nisbatan sezilarli yaxshilanishga olib keladi.^[15] Ushbu yaxshilanishlar shuni ta'kidlaydiki, termoelektrik qo'llanmalar uchun yangi materiallarni ishlab chiqish bilan bir qatorda, mikroyapıyı loyihalash uchun turli xil ishlov berish usullaridan foydalanish, hayotiy va foydali harakatdir. Aslida, ko'pincha kompozitsiyani va mikroyapıyı optimallashtirish ustida ishlash mantiqan.