Владимир Хаустов
Функционально-активные контактные материалы и системы: Теория и инновационные применения в энергетике и электронике

Новое междисциплинарное научное направление

Введение

На протяжении десятилетий прогресс в области материаловедения и электроники определялся в значительной степени пониманием и управлением свойствами электропроводящих материалов как пассивных компонентов, основным назначением которых являлась эффективная передача электрического тока или преобразование энергии в соответствии с заданными статическими параметрами. Эта традиционная парадигма, хотя и послужила основой для значительных технологических достижений, сталкивается с рядом фундаментальных ограничений в контексте растущего спроса на автономные, адаптивные и энергоэффективные системы. Существующие решения часто требуют внешних источников питания, характеризуются низкой плотностью интеграции функций и недостаточной способностью к самодиагностике или адаптации к динамически изменяющимся условиям эксплуатации.

Настоящая работа посвящена систематическому изложению принципиально нового направления – материалам с функциональной контактной активностью (ФКА). Эта инновационная область исследований представляет собой парадигматический сдвиг, предлагая рассматривать проводящие элементы не как простые носители заряда, а как активные, способные генерировать энергию, осуществлять сенсоринг, самодиагностику и адаптироваться к изменяющимся внешним воздействиям без постоянного внешнего энергоснабжения.

Фундаментальная концепция функциональной контактной активности базируется на нескольких ключевых принципах, универсальных для различных материальных реализаций:

Динамическая асимметрия контактной разности потенциалов (КРП).

В отличие от равновесных систем, где суммарная КРП в замкнутой цепи равна нулю в условиях полного термодинамического равновесия (согласно закону Алессандро Вольта), ФКА-материалы эксплуатируют или целенаправленно создают временные, динамические асимметрии КРП за счёт того, что достичь полного термодинамического равновесия не возможно. Эти асимметрии могут возникать под воздействием микроскопических температурных флуктуаций, внешних электрических, магнитных или электромагнитных полей, выводя систему из термодинамического равновесия на локальном уровне и обеспечивая направленную генерацию ЭДС.

Эффективное использование и преобразование флуктуаций.

Материалы ФКА способны преобразовывать энергию из различных видов низкопотенциальных флуктуаций окружающей среды (тепловых, электромагнитных, электростатических) в полезную электрическую форму, выступая в роли высокоэффективных преобразователей рассеянной энергии.

Активная роль межфазных границ.

Границы раздела между разнородными проводящими средами (металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник) рассматриваются как ключевые активные элементы системы, где происходят процессы преобразования энергии и сигналов, а не просто как соединительные участки.

Предлагаемые в работе концепции и подходы открывают широкие перспективы для революционных прорывов в различных областях науки и техники – от создания автономных источников питания и безбатарейных сенсоров до разработки интеллектуальных материалов с функциями самодиагностики и адаптации. Исследование функциональной контактной активности способствует глубокому переосмыслению взаимодействия материи и энергии, закладывая основу для технологий нового поколения, которые будут характеризоваться повышенной эффективностью, устойчивостью и интеграцией в окружающую среду.

Глава 1. Физика функционально-активных контактных материалов как новое научное направление

Настоящая глава служит введением в принципиально новое направление – физику функционально-активных контактных материалов. Мы начнем с обзора классических концепций контактных явлений, чтобы затем выявить их ограничения и продемонстрировать необходимость нового подхода. Далее будет представлена концепция функциональной контактной активности (ФКА), определяющая активную роль границ раздела разнородных проводников и раскрывающая фундаментальное отличие ФКА от традиционных подходов, включая способность генерировать электродвижущую силу в условиях, близких к термодинамическому равновесию. В главе также будет дано определение функционально-активных контактных материалов и элементов, и подробно рассмотрены их ключевые функциональные возможности, такие как генерация энергии, сенсоринг, адаптация и уникальная идентификация. В завершение будут изложены универсальные принципы, лежащие в основе всех ФКА-систем, что позволит читателю глубоко понять теоретический фундамент и инновационный потенциал этой передовой области материаловедения и энергетики.

1.1. История развития контактных явлений

Функционально-активные контактные материалы (ФКА) представляют собой новый этап в развитии технологий, основанных на контактных явлениях. Начало исследований в этой области можно проследить с работ Алессандро Вольта в XVIII веке, который обнаружил контактную разность потенциалов (КРП) между разнородными металлами. В XIX веке развитие термоэлектричества (Зеебек, Пельтье) заложило основу для современных термоэлектрических генераторов. В XX веке полупроводниковые технологии расширили понимание межфазных границ, а в XXI веке концепции сбора энергии и наноэлектроники открыли путь для ФКА.

ФКА переосмысливает традиционные проводники как активные системы, способные преобразовывать тепловые, механические и электромагнитные флуктуации в полезную энергию. Это делает их перспективными для носимой электроники, автономных сенсоров и защиты от подделок.

1.2. Классические представления о контактных явлениях

Понимание принципов работы материалов с функциональной контактной активностью требует предварительного глубокого анализа классических представлений о контактных явлениях между различными проводниками. Эти устоявшиеся концепции, хотя и не исчерпывающие, составляют основу для осознания фундаментальных отличий и инновационного потенциала ФКА.

1.2.1. Работа выхода электрона и теория контактной разности потенциалов (КРП).

Работа выхода электрона (Φ) определяется как минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на уровне Ферми в твердом теле, чтобы он покинул поверхность и стал свободным. Это фундаментальная характеристика материала, зависящая от его химического состава, кристаллической структуры и состояния поверхности. Величина работы выхода обычно измеряется в электрон-вольтах (эВ).

Когда два различных проводника (например, два металла A и B) приводятся в электрический контакт, происходит перераспределение электронов между ними. Если работы выхода материалов Φ_A и Φ_B различны (Φ_A не равно Φ_B), то электроны будут перетекать из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. Этот процесс продолжается до тех пор, пока уровни Ферми обоих материалов не выровняются. Выравнивание уровней Ферми приводит к возникновению контактной разности потенциалов (КРП), или потенциала Вольта (V_AB), на границе раздела.

Математически КРП между двумя материалами A и B, находящимися в контакте и в термодинамическом равновесии, выражается как:

VAB=(ΦB−ΦA)/e

где e – элементарный заряд электрона.

Этот потенциал возникает непосредственно на границе контакта и проявляется как электрическое поле в тонком слое между материалами, создавая барьер или, наоборот, способствуя движению электронов в определенном направлении. КРП является статической величиной в условиях равновесия и определяет начальные условия для любых дальнейших процессов, связанных с движением заряда через контакт.

1.2.2. Закон Алессандро Вольта и его интерпретация в равновесных системах.

Закон Алессандро Вольта, сформулированный в конце XVIII века на основе его экспериментов с "вольтовым столбом", является краеугольным камнем классической электродинамики и термодинамики контактов. В своей наиболее известной формулировке он гласит:

В замкнутой цепи, состоящей из любых различных проводников, находящихся в одинаковых температурных условиях, сумма всех контактных разностей потенциалов (электродвижущих сил) равна нулю.

Иными словами, если мы имеем замкнутую цепь из N различных проводников M1,M2,…,MN, где каждый контакт Mi−Mi+1 (и MN−M1) находится при одной и той же температуре, то суммарная ЭДС в цепи будет равна:

Суммирование по i=1NVMiMi+1=0

Это означает, что в такой изотермической замкнутой системе не может возникать постоянный электрический ток. Закон Вольта тесно связан с законом сохранения энергии и принципом возрастания энтропии: в равновесной системе, не получающей энергию извне, невозможно создать постоянный ток, так как это нарушало бы принцип невозможности создания "вечного двигателя первого рода".

Интерпретация закона Вольта в равновесных системах подчеркивает, что КРП, хотя и существует на каждом отдельном контакте, не может быть использована для генерации электрической энергии в изотермической замкнутой цепи. Это положение является фундаментальным для понимания ограничений традиционных электрических схем и послужило отправной точкой для развития концепции ФКА, которая стремится обойти эти ограничения за счет использования неравновесных состояний и динамического управления контактными потенциалами.

1.2.3. Классические термоэлектрические эффекты (Зеебека, Пельтье, Томсона) и их ограничения для сбора низкопотенциальной энергии.

Термоэлектрические явления описывают прямую взаимосвязь между электрическими и тепловыми процессами в проводниках и полупроводниках. Эти эффекты составляют основу для работы термоэлектрических генераторов и холодильников.

Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект).

Возникает, когда в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, контакты между которыми поддерживаются при различных температурах (Т1 и Т2), возникает электродвижущая сила (ЭДС), приводящая к появлению электрического тока. Эффект Зеебека является основой термопар, используемых для измерения температуры, и термоэлектрических генераторов, преобразующих тепловую энергию в электрическую. Величина генерируемой ЭДС пропорциональна разности температур и коэффициенту Зеебека (α), который является характеристикой материала. E=αAB(T1−T2), где αAB=αA−αB – относительный коэффициент Зеебека.

Эффект Пельтье.

Обратный эффект Зеебека. При прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников происходит поглощение или выделение тепла, что приводит к охлаждению или нагреву контакта. Эффект Пельтье используется в термоэлектрических холодильниках и модулях, например, для охлаждения электронных компонентов. Количество тепла, выделяемого или поглощаемого на контакте, пропорционально силе тока.

Эффект Томсона.

Возникает в однородном проводнике, когда одновременно присутствуют градиент температуры и электрический ток. При этом происходит поглощение или выделение тепла вдоль проводника, зависящее от направления тока и градиента температуры. Эффект Томсона, как правило, имеет меньшее значение по сравнению с эффектами Зеебека и Пельтье, но учитывается в точном термоэлектрическом анализе.

Ограничения для сбора низкопотенциальной энергии.

Хотя классические термоэлектрические эффекты позволяют преобразовывать тепловую энергию в электрическую, их эффективность при сборе низкопотенциальной энергии (т.е. энергии, связанной с малыми температурными градиентами или рассеянным теплом окружающей среды) остается относительно низкой. Это обусловлено несколькими факторами:

Низкая эффективность преобразования.

КПД термоэлектрических генераторов (определяемый добротностью ZT материала) при малых разностях температур очень низок. Для эффективной работы требуются значительные перепады температур, которые не всегда доступны в условиях низкопотенциальных источников энергии (например, тепло человеческого тела, рассеянное тепло помещений).

Зависимость от градиента температуры.

Классические термоэлектрические модули требуют поддержания стационарного и достаточно большого градиента температуры. В динамических средах или при малых колебаниях температуры создать и поддерживать такой градиент сложно.

Конструктивные ограничения.

Для получения достаточной мощности часто требуется большое количество термопар, соединенных последовательно, что увеличивает размеры и стоимость устройств.

Фокусировка на тепловой энергии.

Классические термоэлектрики в основном преобразуют тепло. Они неэффективны для прямого сбора механической энергии, электромагнитных полей или электростатического потенциала, которые также являются распространенными источниками рассеянной энергии.

Эти ограничения показывают, что, несмотря на свою фундаментальную важность, классические термоэлектрические эффекты не могут в полной мере решить проблему автономности устройств, требуя значительных внешних температурных градиентов или неэффективно используя другие формы рассеянной энергии. Это создает предпосылки для поиска новых принципов преобразования энергии, таких как ФКА, которые могут использовать широкий спектр низкопотенциальных источников.

1.3. Функциональная контактная активность (ФКА)

Функциональная контактная активность (ФКА) – это принципиально новое направление на стыке материаловедения и энергетических технологий, связанное с новыми электропроводящими материалами и элементами, которое предлагает рассматривать такие электропроводящие материалы и элементы не как простые пассивные носители заряда, а как активные компоненты. Компоненты – способные к самогенерации энергии, сенсорингу, самодиагностике и адаптации.

ФКА опирается на физику неравновесных состояний и динамической асимметрии контактной разности потенциалов, что расширяет границы традиционной физики твердого тела.

В материаловедении ФКА открывает путь к созданию мультифункциональных материалов, интегрирующих генерацию энергии, сенсоринг и идентификацию в одной структуре.

В энергетических технологиях ФКА предлагает инновационные решения для преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды, обеспечивая автономность и экологичность систем.

Эта синергия дисциплин создает основу для разработки технологий следующего поколения, решая ключевые вызовы современной электроники, включая автономность, энергоэффективность и безопасность.

Физика конденсированного состояния.

ФКА опирается на фундаментальные принципы физики твердого тела, такие как работа выхода электрона, уровни Ферми, контактная разность потенциалов (КРП) и процессы на межфазных границах (металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник). Документ подчеркивает, что ФКА использует неравновесные состояния и динамические асимметрии КРП, что является новым подходом к управлению электронными и тепловыми процессами на микроуровне. Например, способность генерировать ЭДС в условиях, близких к термодинамическому равновесию, за счет микроскопических флуктуаций требует глубокого понимания физики конденсированного состояния, включая термоэлектрические эффекты (Зеебека, Пельтье) и поведение поверхностных состояний.

Новизна: В отличие от традиционных подходов, где равновесные состояния и закон Вольта ограничивают возможности генерации энергии, ФКА фокусируется на неравновесных процессах и динамическом управлении потенциальными барьерами, что расширяет границы физики твердого тела.

Материаловедение.

ФКА предлагает новый класс материалов, которые проектируются с учетом активных межфазных границ и специфических микроструктур для достижения мультифункциональности. Документ описывает металлические проводники со знакопеременной КРП, гибридные системы (например, металл-полупроводник) и уникальные текстильные структуры, где материалы становятся не просто носителями свойств, а активными компонентами с функциями генерации энергии, сенсоринга и адаптации. Разработка таких материалов требует новых методов синтеза, характеризации и управления их свойствами на нано- и микроуровне.

Новизна: В материаловедении ФКА вводит концепцию "интеллектуальных" материалов, которые интегрируют несколько функций (энергия, сенсоринг, идентификация) в одной структуре, что контрастирует с традиционным подходом к созданию однофункциональных материалов.

Энергетические технологии.

ФКА открывает путь к созданию автономных источников питания, способных преобразовывать низкопотенциальную энергию (тепловые, электромагнитные, механические флуктуации) в электрическую без необходимости внешнего питания. Примеры из документа, такие как емкостная термоэлектрическая батарея, костровые термоэлектрические генераторы и безбатарейные вибрационные сенсоры, демонстрируют потенциал для повышения энергоэффективности и автономности устройств. Эти технологии решают ключевые вызовы энергетики, такие как минимизация зависимости от батарей и снижение экологического воздействия.

Новизна: В отличие от традиционных энергетических технологий, которые полагаются на значительные температурные градиенты или химические источники, ФКА использует рассеянную энергию окружающей среды, что делает её особенно актуальной для приложений в IoT, носимой электронике и экстремальных условиях.

Синергия дисциплин.

ФКА является междисциплинарным направлением, которое объединяет:

Физику конденсированного состояния для понимания и управления процессами на межфазных границах и в неравновесных системах.

Материаловедение для разработки новых материалов с заданными функциональными свойствами, включая сложные микроструктуры и топологии (например, гексагональные сети в тканях).

Энергетические технологии для создания высокоэффективных, автономных и экологичных систем, использующих рассеянную энергию.

Суть нового направления – от пассивности к функциональной активности.

В основе этого направления лежит идея, что на границах раздела разнородных проводящих сред – будь то металл-металл, металл-полупроводник или полупроводник-полупроводник – возникают специфические контактные потенциалы. В обычных проводниках эти эффекты часто игнорируются или минимизируются. К тому же закон Алессандро Вольта запрещает суммирование напряжений в таких системах. Однако новое направление предполагает целенаправленное использование и управление этими такими потенциалами для придания материалам активных функций.

Ярчайшим примером и фундаментом этого направления являются металлические проводники со знакопеременной контактной разностью потенциалов (ЗКРП-проводники). Их уникальность заключается в последовательном чередовании сегментов разнородных металлов, создающих активные термоэлектрические интерфейсы. Эти интерфейсы активно реагируют на изменения температуры, электрических полей и токов, генерируя внутреннюю ЭДС и проявляя беспрецедентные адаптивные свойства.

Расширяя эту концепцию, новое направление распространяется на:

Все проводники.

Исследование и создание активных свойств в любых металлических проводящих материалах за счет манипуляции их внутренней структурой и межфазными границами.

Полупроводники.

Использование специфических свойств полупроводниковых переходов (p-n переходы, барьеры Шоттки) для генерации, сенсинга и адаптивного управления, а также их синергетическое взаимодействие с металлическими проводниками.

1.4. Функционально-активные контактные материалы и элементы

Функционально-активные контактные материалы и элементы – это новое поколение материалов и компонентов, которые обладают свойством функциональной контактной активности (ФКА). В отличие от традиционных пассивных проводников, эти материалы рассматриваются как активные, "интеллектуальные", способные к самогенерации энергии, сенсингу, самодиагностике и адаптации к изменяющимся условиям без постоянного внешнего источника питания.

Их функциональность основана на использовании динамической асимметрии множества контактных разностей потенциалов (КРП) и эффективном преобразовании энергии различных флуктуаций (например, тепловых, электромагнитных) в полезную электрическую энергию, при этом межфазные границы играют ключевую роль как активные функциональные элементы.

1.5. Концепция функциональной контактной активности (ФКА)

В свете ограничений классических электронных материалов и растущих потребностей в автономных, интеллектуальных и безопасных системах, возникает необходимость в фундаментальном переосмыслении роли проводящих сред. Именно на этом фоне формируется концепция функциональной контактной активности (ФКА), предлагающая качественно новый подход к дизайну и применению материалов, способных к активному взаимодействию с окружающей средой и самодостаточному функционированию.

1.5.1. Определение Функциональной контактной активности (ФКА): активная роль границ раздела разнородных проводников.

Функциональная контактная активность (ФКА) – это принципиально новое направление в физике и материаловедении, которое изучает и использует динамические свойства границ раздела между разнородными проводящими средами (металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник) для придания материалам активных функций. В отличие от традиционных представлений, где контактные потенциалы рассматриваются как статические, часто нежелательные эффекты, в рамках ФКА эти потенциалы становятся ключевым элементом, которым можно целенаправленно управлять для достижения определенных функциональных свойств.

Суть ФКА заключается в том, что проводящие элементы перестают быть пассивными носителями тока и превращаются в активные, "интеллектуальные" компоненты. Это достигается за счет использования уникальных электрофизических процессов, протекающих на микроскопическом уровне в области контакта. Вместо того чтобы минимизировать или игнорировать контактные потенциалы, ФКА-материалы позволяют их суммировать и преобразовывать различные виды рассеянной энергии (механическую, тепловую, электромагнитную) в полезную электрическую энергию или информационный сигнал.

Активная роль границ раздела проявляется в их способности реагировать на минимальные внешние воздействия (например, вибрации, малые температурные градиенты, изменения электромагнитного поля), трансформируя эти воздействия в регистрируемые электрические сигналы или генерируя ЭДС. Таким образом, контакт становится не просто точкой сопряжения, а динамически активным элементом, способным к энергетической и информационной трансдукции.

1.5.2. Фундаментальное отличие ФКА от классических подходов: динамические асимметрии и генерация ЭДС в условиях, близких к равновесию.

Ключевое фундаментальное отличие ФКА от классических представлений, таких как закон Вольта и традиционные термоэлектрические эффекты, заключается в способности ФКА-систем генерировать электродвижущую силу (ЭДС) и постоянный ток в условиях, которые классически считаются недостаточными или даже "запрещенными" для такой генерации.

Как было показано выше, закон Алессандро Вольта постулирует, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, находящихся при одинаковой температуре, суммарная ЭДС равна нулю. Это означает невозможность получения постоянного тока в изотермической системе. Классические термоэлектрические эффекты, в свою очередь, требуют поддержания явного и достаточно большого градиента температуры для эффективной генерации энергии.

ФКА преодолевает эти ограничения за счет использования динамических асимметрий и способности к преобразованию энергии в условиях, близких к термодинамическому равновесию или при наличии лишь малых, локальных, динамически изменяющихся градиентов. Вместо стационарного перепада температур или потенциалов, ФКА-системы используют:

Микроскопические динамические возмущения.

Даже незначительные механические деформации, вибрации, или флуктуации тепловой энергии могут вызывать временные, локальные изменения в работе выхода или уровне Ферми на границе раздела, создавая динамическую асимметрию КРП.

Использование рассеянной энергии.

ФКА-материалы эффективно преобразуют различные формы рассеянной энергии (механическую, электромагнитную, тепловую) в электрическую, не требуя создания явных макроскопических градиентов, как в классических термоэлектриках. Например, вибрация может вызывать динамическое изменение площади контакта или деформацию, что приводит к изменению КРП и генерации тока, даже если общая температура системы однородна.

Новые механизмы преобразования.

В основе ФКА лежат специфические физические процессы, отличные от стандартных термоэлектрических, которые позволяют "собирать" энергию из окружающей среды, минуя ограничения, накладываемые равновесными состояниями и законом Вольта в его традиционной трактовке для статических систем. Это подразумевает, что процессы на границе контакта являются неравновесными, и именно динамика этих процессов приводит к возникновению полезной ЭДС.

Таким образом, ФКА представляет собой парадигмальный сдвиг от пассивности к функциональной активности, позволяя материалам самим генерировать энергию, не нарушая фундаментальных законов физики, но используя их на качественно новом уровне взаимодействия с окружающей средой.

1.5.3. Обзор ключевых функциональных возможностей ФКА-материалов (генерация энергии, сеноринг, адаптация, уникальная идентификация).

Материалы с функциональной контактной активностью обладают рядом уникальных свойств, которые открывают широкие перспективы для создания прорывных технологий:

Генерация Энергии.

ФКА-материалы способны преобразовывать различные виды низкопотенциальной, рассеянной энергии из окружающей среды (механические вибрации, движения, малые температурные флуктуации, электромагнитные поля, электростатический заряд) в электрическую энергию. Это позволяет создавать автономные, безбатарейные электронные устройства, способные непрерывно функционировать без внешнего источника питания или периодической подзарядки. Примеры включают "умные" текстильные генераторы, преобразующие энергию движений тела, или компактные устройства, питающиеся от рассеянного тепла.

Сенсоринг.

Благодаря высокой чувствительности контактных потенциалов к минимальным изменениям внешних условий, ФКА-материалы могут выступать в качестве высокочувствительных датчиков. Они способны регистрировать тонкие механические деформации, вибрации, тепловые сигнатуры, изменения электромагнитных полей или даже химические реакции. Например, гибкие сенсоры вибрации, основанные на ФКА, могут детектировать уникальные "термопрофили", создаваемые колебаниями, что открывает новые возможности для мониторинга состояния объектов или биометрических измерений.

Адаптация.

Способность ФКА-материалов динамически изменять свои электрические и, потенциально, другие физические свойства в ответ на внешние стимулы позволяет создавать адаптивные системы. Это может проявляться в динамическом управлении тепловым режимом (например, изменение теплопроводности "умной" одежды в зависимости от температуры окружающей среды), или в изменении электропроводности/реакции на воздействие. Такая адаптивность открывает путь к созданию "интеллектуальных" материалов, способных подстраиваться под изменяющиеся условия эксплуатации.

Уникальная идентификация.

Микроскопическая нерегулярность структуры контактов и сложность внутренних процессов в ФКА-материалах создают уникальный, невоспроизводимый "физический отпечаток" или "термосигнатуру" для каждого образца. Этот "отпечаток" является результатом уникального расположения и характеристик контактных границ и может быть использован в качестве физически неклонируемой функции (PUF) для аутентификации электронных устройств. Такая идентификация крайне устойчива к подделке и клонированию, обеспечивая беспрецедентный уровень безопасности в цепочках поставок и защите от контрафакта.

Эти четыре ключевые функциональные возможности делают ФКА перспективным направлением для разработки следующего поколения материалов и устройств, способных решить многие из вызовов, стоящих перед современной электроникой.

1.6. Универсальные принципы функциональной контактной активности

Независимо от конкретной материальной реализации – будь то чистые металлы, полупроводники или их комбинации – функциональная контактная активность (ФКА) базируется на нескольких ключевых принципах. Эти универсальные идеи формируют основу нового парадигматического подхода к созданию активных, интеллектуальных материалов, способных к самогенерации энергии, сенсингу и адаптации.

Среди этих общих идей выделяются следующие:

Динамическая асимметрия контактной разности потенциалов (КРП).

В традиционной физике конденсированного состояния, в условиях термодинамического равновесия, суммарная контактная разность потенциалов в замкнутой цепи равна нулю (следствие модифицированного закона Вольта). Это означает, что без внешнего температурного градиента или другого источника энергии невозможно получить устойчивую электродвижущую силу (ЭДС). Однако ФКА-материалы принципиально используют или целенаправленно инженерно создают динамическую, временную асимметрию в распределении КРП. Эта асимметрия может быть обусловлена рядом факторов:

– Микроскопические тепловые градиенты. Даже в макроскопически изотермической системе существуют постоянные микроскопические температурные флуктуации, способные создавать локальные, кратковременные градиенты на границах раздела.

– Взаимодействие с внешними полями. Воздействие внешних электрических, магнитных или электромагнитных полей может асимметрично модулировать потенциальные барьеры на контактах, выводя систему из равновесия.

– Внутреннее перераспределение заряда. Собственные динамические процессы перераспределения заряда или структурные изменения на границах раздела могут вызывать временные дисбалансы КРП. В результате такой динамической асимметрии система временно выводится из равновесия на локальном уровне, позволяя генерировать направленный поток зарядов и, соответственно, ЭДС или ток. Это ключевой механизм "обхода" кажущихся ограничений классической физики, который фокусируется на управлении неравновесными состояниями и динамическими процессами, а не на их минимизации. По сути, ФКА-материалы выступают как нелинейные системы, способные эффективно "выпрямлять" флуктуации или асимметрично реагировать на внешние воздействия.

Аналогия для КРП.

Динамическую асимметрию КРП можно сравнить с ветряной мельницей: подобно тому, как мельничные лопасти улавливают хаотические порывы ветра и преобразуют их в направленное вращение, ФКА-материалы используют флуктуации на межфазных границах для создания направленного тока.

Эффективное использование и преобразование флуктуаций в направленный макроскопический ток.

ФКА-материалы обладают уникальной способностью "собирать" и преобразовывать энергию из различных видов флуктуаций, которые в обычных системах считаются "шумом" или рассеиваемой энергией. Это становится возможным благодаря созданию специфических неравновесных условий и асимметричных потенциальных ландшафтов, позволяющих направленно "сортировать" энергию из случайных движений без нарушения второго начала термодинамики.

– Тепловые флуктуации. Микроскопические случайные движения атомов и электронов (тепловой шум) могут быть направленно преобразованы в электрическую энергию. Это достигается через механизмы, где асимметричные потенциальные барьеры или динамически изменяющиеся потенциалы (например, под воздействием внешнего асимметричного поля) позволяют заряженным частицам двигаться преимущественно в одном направлении, даже если их кинетическая энергия обусловлена хаотическим тепловым движением. Для работы требуется либо потребление энергии из внешнего неравновесного источника (например, асимметрично меняющегося электрического поля), либо поддержание градиента (температурного, химического), что полностью согласуется с принципами термодинамики.

– Электромагнитные и электростатические флуктуации. Энергия окружающих электромагнитных и электростатических полей (включая естественное поле Земли, радиоволны, электростатические заряды) может индуцировать изменения в контактных потенциалах. При наличии нелинейных элементов (например, барьеров Шоттки, p-n переходов) эти случайные или низкочастотные поля могут быть эффективно детектированы и преобразованы в постоянную или низкочастотную ЭДС через механизмы, аналогичные резонансному захвату или активному выпрямлению. В этом случае энергия не "генерируется из ничего", а преобразуется из энергии фонового излучения или внешних полей, поддерживающих систему в неравновесном состоянии.

– Механические флуктуации. Через косвенные термомеханические эффекты (например, пьезотермические явления), механические вибрации и деформации могут вызывать локальные температурные изменения и модификации КРП, которые затем преобразуются в электрическую энергию. Это расширяет спектр источников "бесплатной" энергии, доступной для ФКА-материалов. Таким образом, материалы ФКА выступают как эффективные преобразователи низкопотенциальной или рассеянной энергии окружающей среды в полезную электрическую форму, работая как на основе тепловых флуктуаций (при наличии асимметрии), так и на основе внешних неравновесных полей.

Роль межфазных границ как активных элементов.

В парадигме ФКА, границы раздела между разнородными проводящими средами (металл-металл, металл-полупроводник, полупроводник-полупроводник) перестают быть просто точками соединения и становятся активными функциональными элементами – своего рода микроскопическими "двигателями" или "сенсорами". Именно на этих интерфейсах происходят ключевые процессы, определяющие функциональность ФКА-материалов:

– Возникновение и модуляция КРП. Эти границы являются местами возникновения КРП, которая может динамически изменяться под воздействием внешних стимулов (температуры, давления, электрических полей).

– Разделение зарядов и формирование потенциальных барьеров. В полупроводниковых гетероструктурах и контактах металл-полупроводник на межфазных границах формируются области пространственного заряда и потенциальные барьеры (например, барьер Шоттки, p-n переход). Эти барьеры не только влияют на перенос заряда, но и могут служить "ловушками" или "сортировщиками" для носителей заряда, обеспечивая направленное движение.

Эффективное преобразование энергии.

Благодаря уникальным свойствам этих границ, они становятся площадкой для эффективного преобразования энергии (например, тепловой в электрическую через эффект Зеебека, электромагнитной в электрическую через выпрямление ВЧ-полей, или механической в электрическую через термомеханические эффекты). Целенаправленное проектирование, формирование и управление этими межфазными границами на нано- и микроуровне является фундаментальной задачей при разработке ФКА-материалов. Их топология, химический состав и электронные свойства определяют общую эффективность и специфику функциональности системы.

Эти универсальные принципы лежат в основе как простых металлических ЗКРП-проводников, так и более сложных гибридных систем, определяя их способность к активному, автономному и интеллектуальному поведению в различных условиях.

Глава 2. Теоретические основы функциональной контактной активности

После введения в концепцию функциональной контактной активности (ФКА) и демонстрации ее принципиального отличия от классических подходов, настоящая глава призвана раскрыть глубокие теоретические основы, которые объясняют уникальные явления, наблюдаемые в ФКА-материалах. Для полного понимания механизмов ФКА, необходимо углубиться в физику процессов, протекающих на микроскопическом уровне, особенно на границах раздела разнородных проводников.

В данной главе мы начнем с детального анализа физики границ раздела, рассматривая контакты металл-металл, металл-полупроводник и полупроводник-полупроводник, а также роль поверхностных и интерфейсных состояний. Этот фундамент позволит перейти к теоретическому обоснованию и математическому моделированию явлений ФКА. Будут представлены физические модели, описывающие динамическую асимметрию контактной разности потенциалов (КРП) и механизмы преобразования различных флуктуаций (тепловых, электромагнитных) в полезную электрическую энергию. Особое внимание будет уделено строгому доказательству соответствия предложенных механизмов фундаментальным законам термодинамики, демонстрируя, что ФКА представляет собой не нарушение, а новое, более глубокое использование известных физических принципов в неравновесных условиях. Таким образом, эта глава заложит прочную научную базу для дальнейшего изучения и разработки функционально-активных контактных материалов и систем.

2.1. Физика границ раздела разнородных проводников

Понимание механизмов функциональной контактной активности (ФКА) неразрывно связано с глубоким знанием физических процессов, происходящих на границах раздела между различными проводящими материалами. Эти интерфейсы, формируемые при контакте двух или более сред, являются ключевыми областями, где происходят перераспределение зарядов, изменение энергетических зон и возникновение контактных потенциалов.

2.1.1. Металл-металл контакты: Ферми-уровни, двойные электрические слои.

При контакте двух различных металлов (например, металла A и металла B) в отсутствие внешнего электрического поля происходит процесс выравнивания их химических потенциалов, или, что эквивалентно, уровней Ферми (EF). Уровень Ферми характеризует энергию, при которой вероятность заполнения электронного состояния равна 1/2 при абсолютном нуле температуры, и является мерой электрохимического потенциала электронов в материале.

Если до контакта уровни Ферми металлов A и B различались, а также различались их работы выхода, то при формировании контакта электроны будут перетекать из металла с более высоким уровнем Ферми (т.е. с меньшей работой выхода) в металл с более низким уровнем Ферми (с большей работой выхода). Этот переток зарядов приводит к:

Формированию двойного электрического слоя.

На границе раздела образуется тонкий слой, состоящий из избыточных положительных и отрицательных зарядов. В одном металле, откуда ушли электроны, формируется избыточный положительный заряд (ионный остов), а в другом, куда пришли электроны, – избыточный отрицательный заряд. Этот слой имеет характерную толщину порядка нескольких межатомных расстояний.

Возникновению контактной разности потенциалов (КРП).

Перераспределение зарядов создает электрическое поле и, как следствие, падение потенциала на границе раздела, известное как потенциал Вольта (или контактная разность потенциалов).

Величина этого потенциала в равновесии равна разности работ выхода, деленной на элементарный заряд электрона:

VAB=(ΦB−ΦA)/e.

Выравниванию уровней Ферми.

Переток электронов продолжается до тех пор, пока уровни Ферми обоих металлов не станут одинаковыми. После установления равновесия суммарный поток электронов через границу в любом направлении равен нулю.

Важно отметить, что в условиях термодинамического равновесия и отсутствия внешних воздействий этот контактный потенциал является статическим и не может быть использован для генерации постоянного тока в замкнутой цепи, что соответствует закону Вольта. Однако, как будет показано в дальнейшем, динамические изменения этого равновесия являются ключом к ФКА.

2.1.2. Металл-полупроводник контакты: Барьер Шоттки, омические контакты, теория выпрямления.

Контакты между металлами и полупроводниками играют фундаментальную роль в современной электронике, формируя основу для транзисторов, диодов и других устройств. В отличие от металл-металл контактов, здесь важно учитывать различия в энергетической зонной структуре (зона проводимости, валентная зона, ширина запрещенной зоны) и типе проводимости полупроводника (n-тип или p-тип).

При контакте металла и полупроводника также происходит выравнивание уровней Ферми. Это перераспределение зарядов приводит к искривлению энергетических зон в приконтактной области полупроводника, формируя область пространственного заряда (ОПЗ). В зависимости от соотношения работы выхода металла (ΦM) и работы выхода полупроводника (ΦS), а также положения уровня Ферми относительно зон, могут формироваться два основных типа контактов:

Барьер Шоттки.

Формируется, когда в полупроводнике n-типа работа выхода металла больше работы выхода полупроводника (ΦM>ΦS), или в полупроводнике p-типа ΦM<ΦS В этом случае на границе раздела возникает потенциальный барьер для основных носителей заряда, что приводит к выпрямляющим свойствам контакта. Ток легко течет в одном направлении (прямое смещение, когда барьер понижается) и блокируется в другом (обратное смещение, когда барьер повышается). Теория барьера Шоттки описывает высоту барьера и процессы переноса заряда через него, которые включают термоэмиссию, туннелирование и рекомбинацию.

Омический контакт.

Формируется, когда сопротивление контакта пренебрежимо мало по сравнению с объемным сопротивлением полупроводника. Такой контакт не выпрямляет ток, и его вольт-амперная характеристика линейна. Омические контакты необходимы для эффективного ввода и вывода тока из полупроводниковых устройств. Они формируются, когда барьер для основных носителей заряда очень мал или отсутствует, например, путем сильного легирования приконтактной области полупроводника или выбора металла с подходящей работой выхода (ΦM<ΦS для n-типа и ΦM>ΦS для p-типа).

Теория выпрямления объясняет асимметричную вольт-амперную характеристику барьерных контактов. При прямом смещении (подача напряжения, уменьшающего высоту барьера) ток экспоненциально возрастает, а при обратном смещении (подача напряжения, увеличивающего высоту барьера) ток остается пренебрежимо малым до пробоя. Эти свойства активно используются в диодах, транзисторах и фотоэлементах.

2.1.3. Полупроводник-полупроводник контакты: p-n переходы и их вольт-амперные характеристики.

p-n переход является фундаментальной структурой в полупроводниковой электронике, образующейся при контакте полупроводника n-типа (с избытком электронов) и полупроводника p-типа (с избытком дырок). При формировании такого контакта свободные электроны из n-области диффундируют в p-область, а дырки из p-области – в n-область.

Этот диффузионный процесс приводит к:

Образованию области пространственного заряда (ОПЗ).

Вблизи границы раздела образуется область, обедненная свободными носителями заряда, но содержащая неподвижные ионизированные примеси. В n-области возникают положительно заряженные доноры, а в p-области – отрицательно заряженные акцепторы.

Возникновению контактного потенциала.

Разделение зарядов в ОПЗ создает внутреннее электрическое поле, направленное от n- к p-области, которое препятствует дальнейшей диффузии и устанавливает равновесие. Этот встроенный потенциал, или контактная разность потенциалов на p-n переходе, равен разности уровней Ферми до контакта.

Выпрямляющим свойствам.

Р-n переход является основным элементом диода и обладает выраженными выпрямляющими свойствами, аналогичными барьеру Шоттки, но с иным механизмом.

– Прямое смещение. При подаче внешнего напряжения, понижающего потенциальный барьер (плюс на p-области, минус на n-области), основные носители (дырки из p и электроны из n) начинают активно инжектироваться через переход, что приводит к экспоненциальному росту тока.

– Обратное смещение. При подаче напряжения, увеличивающего потенциальный барьер (минус на p-области, плюс на n-области), основные носители отталкиваются от перехода, и через него течет лишь очень малый ток, обусловленный движением неосновных носителей.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода описывает зависимость тока через переход от приложенного напряжения и может быть выражена уравнением Шокли (для идеального диода):

I=I0(exp(qV/nKT)−1)

Где:

I – ток через диод,

I0 – ток насыщения обратного смещения,

q – элементарный заряд,

V – приложенное напряжение,

n – коэффициент идеальности диода,

K – постоянная Больцмана,

T – абсолютная температура.

p-n переходы являются основой для большинства полупроводниковых устройств, включая транзисторы, солнечные элементы и светодиоды, демонстрируя принципы активного управления зарядовым транспортом.

2.1.4. Роль поверхности и интерфейсных состояний.

Поверхность материала и границы раздела между различными материалами являются областями, где идеальная кристаллическая структура нарушена. Нарушение периодичности решетки приводит к появлению поверхностных состояний – энергетических уровней для электронов, локализованных на поверхности или на интерфейсе. Эти состояния могут находиться в запрещенной зоне полупроводника и значительно влиять на электрические свойства контакта.

Ключевая роль поверхности и интерфейсных состояний:

Изменение энергетических зон.

Поверхностные состояния могут захватывать свободные носители заряда, создавая фиксированные заряды, которые, в свою очередь, приводят к искривлению энергетических зон в приповерхностной области полупроводника. Это может изменять высоту потенциального барьера на контакте металл-полупроводник или p-n переходе, влияя на выпрямляющие свойства и сопротивление.

Эффекты пиннинга уровня Ферми.

Большая плотность интерфейсных состояний может "закреплять" (пиннинговать) уровень Ферми на определенной энергии относительно зонных краев независимо от работы выхода металла. Это объясняет, почему на практике высота барьера Шоттки для многих металл-полупроводник контактов слабо зависит от типа металла.

Шунтовые пути и утечки.

Дефекты и загрязнения на поверхности или интерфейсе могут создавать шунтовые пути для тока, приводя к увеличению токов утечки и снижению эффективности устройств.

Влияние на химическую стабильность.

Состояние поверхности определяет реактивность материала и его стабильность в различных средах. Окисление, адсорбция примесей или деградация поверхности могут кардинально изменить электрические свойства контакта.

Динамическая природа.

В отличие от статических представлений, поверхностные и интерфейсные состояния могут динамически изменяться под воздействием внешних факторов (температура, механические воздействия, адсорбция газов). Эти динамические изменения могут быть использованы в ФКА для создания активных функций, таких как сенсоринг или преобразование энергии, путем модуляции локальных потенциалов на границе.

Таким образом, контроль и управление свойствами поверхности и интерфейсных состояний являются критически важными задачами при разработке высокоэффективных ФКА-материалов и устройств.

2.2. Теоретическое обоснование и математическое моделирование

Функциональная контактная активность (ФКА) представляет собой новое направление, основанное на использовании неравновесных процессов на межфазных границах для генерации энергии, сенсоринга и адаптации материалов. В отличие от традиционных подходов, рассматривающих проводники как пассивные носители заряда, ФКА предполагает их активную роль в преобразовании низкопотенциальных флуктуаций (тепловых, электромагнитных, механических) в полезную электрическую энергию. Данная глава посвящена теоретическому обоснованию механизмов ФКА, включая математические модели, описывающие динамическую асимметрию контактной разности потенциалов (КРП), преобразование флуктуаций и термоэлектрические эффекты. Особое внимание уделяется соответствию этих процессов законам классической физики, включая первое и второе начала термодинамики.

2.2.1. Физические основы ФКА.

ФКА опирается на физику межфазных границ в системах металл-металл, металл-полупроводник или полупроводник-полупроводник. Ключевое явление – контактная разность потенциалов (КРП), возникающая из-за различия работ выхода материалов. В классической физике закон Вольта утверждает, что в замкнутой изотермической цепи сумма КРП равна нулю, что исключает генерацию тока без внешнего источника. Однако ФКА использует неравновесные состояния, вызванные внешними или внутренними флуктуациями, которые нарушают это равновесие, создавая динамическую асимметрию КРП. Работа выхода Φ материала определяется энергией, необходимой для удаления электрона из твердого тела в вакуум. Для двух материалов A и B с работами выхода ΦA и ΦB КРП на их границе задается как:

VAB = ΦB − ΦA e,

Где:

e – заряд электрона.

В равновесной системе эта разность компенсируется в замкнутой цепи. ФКА предполагает, что внешние воздействия (например, тепловые флуктуации, механические деформации или электромагнитные поля) изменяют ΦA или ΦB во времени, создавая временную асимметрию:

VAB(t) = ΦB(t) − ΦA(t) e + dVfluct(t),

Где:

dVfluct(t) – вклад флуктуаций, зависящий от типа возмущения.

2.2.2. Модель динамической асимметрии КРП.

Динамическая асимметрия КРП возникает из-за временных изменений работы выхода под воздействием флуктуаций. Рассмотрим систему из двух 1 металлов с контактной границей, подверженной тепловым флуктуациям. Температурные колебания вызывают локальные изменения концентрации носителей заряда и уровней Ферми.

Для описания этого процесса используем уравнение Ланжевена:

dΦA(t) dt = − ΦA(t) − ΦA0 τ + ξ(t),

Где:

ΦA0 – равновесная работа выхода,

τ – время релаксации,

ξ(t) – случайная сила, моделирующая тепловые флуктуации с корреляцией:

⟨ξ(t)ξ(t1)⟩ = 2kTΓd(t – t1),

Где:

k – постоянная Больцмана,

T – температура,

Γ – коэффициент диссипации.

Ток, вызванный динамической асимметрией, можно выразить через разность потенциалов:

I(t) = VAB(t) R + Rint,

Где:

R – внешнее сопротивление,

Rint – внутреннее сопротивление контакта.

Средняя мощность, выделяемая в нагрузке, определяется как:

P = (I(t) 2 )R.

Эта модель показывает, что асимметричные барьеры на межфазной границе могут преобразовывать случайные флуктуации в направленный ток, что согласуется с исследованиями по тепловым расчётам.

2.2.3. Преобразование тепловых флуктуаций.

Преобразование тепловых флуктуаций в электрическую энергию – один из ключевых механизмов ФКА. Рассмотрим контакт двух металлов с различными термоэлектрическими коэффициентами Зеебека (SA, SB). При локальном нагреве границы раздела возникает термоэлектрическая ЭДС:

Vthermo = (SB − SA)dT,

Где:

dT – температурный градиент.

В системах ФКА dT может быть вызван тепловыми флуктуациями, а не внешним источником. Для оценки тока используем модель переноса заряда через асимметричный барьер:

I = q kT интеграл J(E)f(E, T)A(E) dE,

Где:

J(E) – спектральная плотность тока,

f(E, T) – функция распределения Ферми-Дирака,

A(E) – коэффициент пропускания барьера, зависящий от его асимметрии.

Для количественной оценки эффективности преобразования рассмотрим энергетический баланс.

Входная энергия тепловых флуктуаций определяется как:

Qfluct = kT * df, 2

Где:

df – полоса частот флуктуаций.

КПД преобразования:

η = Pout Qfluct = (I 2)R kT * df .

Эта модель подтверждает, что преобразование возможно только при наличии асимметричных барьеров и неравновесных условий, что согласуется со вторым началом термодинамики.

2.2.4. Емкостная термоэлектрическая батарея.

Емкостная термоэлектрическая батарея (раздел 5.7) комбинирует термоэлектрический эффект с накоплением заряда. Рассмотрим систему из N металлических термопар, соединённых с конденсатором емкостью C. Термоэлектрическая ЭДС каждой пары:

Vi = (SB,i − SA,i)dTi .

Общая ЭДС системы:

Vtotal = сумма N i=1 Vi .

Заряд, накопленный на конденсаторе:

Q = CVtotal

а энергия:

E = 1 2 CV 2 total.

КПД системы определяется как: η = E Qin ,

Где:

Qin – входная тепловая энергия.

Для металлических термопар (S = 1−10 µV/K) и dT = 1−10 K выходная мощность ограничена, но использование емкостных накопителей позволяет интегрировать энергию во времени, повышая эффективность.

2.2.5. Соответствие законам термодинамики.

Критика ФКА часто связана с возможным нарушением закона Вольта и второго начала термодинамики. Однако предложенные механизмы не противоречат этим законам, так как:

1. Генерация ЭДС происходит за счет неравновесных состояний, вызванных внешними или внутренними флуктуациями, а не в равновесной системе.

2. Преобразование флуктуаций требует асимметричных барьеров, что соответствует принципу расчёта и не нарушает энтропийный баланс.

3. Энергия, преобразованная в электрическую, извлекается из окружающей среды (тепловые, механические или электромагнитные поля), что согласуется с первым началом термодинамики.

Для строгого доказательства рассмотрим энтропийный баланс. Изменение энтропии системы: dS = Qfluct T − Pout Teff ,

Где:

Teff – эффективная температура нагрузки.

При n < 1 энтропия возрастает, что удовлетворяет второму началу.

2.2.6 Выводы.

Предложенные модели демонстрируют, что ФКА основана на использовании неравновесных процессов и асимметричных барьеров для преобразования флуктуаций в полезную энергию. Математическое описание динамической асимметрии КРП, термоэлектрических эффектов и емкостного накопления энергии подтверждает физическую реализуемость предложенных механизмов. Эти модели требуют дальнейшей экспериментальной верификации, но они обеспечивают прочную основу для понимания ФКА в рамках классической физики.

Глава 3. Функционально – активные контактные материалы и системы

В предыдущих разделах мы заложили теоретические основы концепции функциональной контактной активности (ФКА), представляющей собой принципиально новый взгляд на электропроводящие материалы как на активные и интеллектуальные компоненты, способные к самогенерации энергии и адаптации. Глава 3 посвящена детальному рассмотрению практической реализации этих идей – функционально-активным контактным материалам и системам, которые воплощают принципы ФКА.

Здесь будут подробно изучены две основные категории таких систем: металлические проводники с функциональной контактной активностью и гибридные системы с функциональной контактной активностью. Мы разберем их уникальные свойства, механизмы работы, основанные на динамической асимметрии множества контактных разностей потенциалов, а также их способность преобразовывать различные виды внешних флуктуаций в полезную электрическую энергию. Кроме того, в главе будут представлены способы управления функциональной контактной активностью, что открывает широкие перспективы для создания инновационных, энергоэффективных и автономных устройств и систем в различных областях науки и техники.

3.1. Металлический проводник с функциональной контактной активностью

Проводник с последовательной знакопеременной контактной разностью потенциалов – это инновационное техническое решение, состоящее из последовательно соединенных сегментов разнородных металлов, см. Рис. 1.

Рис. 1. Схема проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Работа проводника основывается на уникальных свойствах переходов между разнородными металлами, которые в такой структуре становятся чувствительными к внешним воздействиям, таким как тепло, электромагнитные и электростатические поля.

Вариант исполнения проводника с последовательной знакопеременной контактной разностью потенциалов представлено на следующем Рис.унке.

Рис. 2. Проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Механизм работы

Работа проводника с последовательной знакопеременной контактной разностью потенциалов основывается на сложных взаимодействиях, внутри переходов между разнородными материалами и между такими переходами, которые перераспределением потенциалов откликаются на внешние температурные, электромагнитные или электростатические поля. В таком проводнике проявляются следующие интереснейшие свойства:

Проводник без внешнего теплового воздействия проявляет термоэлектрические эффекты благодаря внутреннему перераспределению тока и местным изменениям температуры. Это позволяет системе адаптивно собирать естественный тепловой шум и использовать его для генерации напряжения.

Контур из такого проводника при взаимодействии с электромагнитными полями увеличивает выходное напряжение на величину, зависящую от перераспределения токов между переходами разнородных материалов.

Замкнутый контур такого проводника проявляет небольшой градиент напряжений и температур в замкнутой структуре проводника. Это противоречит классической теории, которая предполагает нулевую ЭДС в замкнутом контуре, и подтверждает, что в системе происходит стохастическое перераспределение микроскопических тепловых флуктуаций.

Взаимодействие с электростатическими полями приводит к перераспределению потенциалов меду переходами, что проявляется в наведении дополнительной ЭДС на границах контактов различных металлов.

Большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длинны проводника позволяет определять место изменения термодинамического равновесия на поверхности или в объёме. Для этого в проводник подают электрический импульс с известными временными и амплитудными характеристиками и сверяют его с выходным импульсом.

Большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длинны проводника позволяет управлять небольшим локальным изменением температуры отдельных контактных разностей потенциалов на плоскости или в объёме. Для этого в проводник подают с обоих сторон электрические импульсы с определёнными фазовыми соотношениями.

Заключение.

Благодаря сложным взаимодействиям тепловых, электронных и электромагнитных процессов на границах контактов различных металлов, металлический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов способен генерировать микровольты напряжения, используя не только внутренние, но и внешние энергии, что открывает новые перспективы для создания энергоэффективных устройств и систем, а также управлять или диагностировать локальными изменениями температур на плоскостях или в объёме.

3.2. Гибридные системы с функциональной контактной активностью

В предыдущем разделе мы подробно рассмотрели принципы работы и уникальные свойства металлических проводников со знакопеременной контактной разностью потенциалов, демонстрирующих способность к генерации энергии и сенсингу на основе динамических контактных явлений. Развивая эту концепцию, гибридные системы с функциональной контактной активностью представляют собой следующий шаг в эволюции ФКА-материалов. Они расширяют диапазон используемых интерфейсов, включая контакты "полупроводник – металл" и "полупроводник – полупроводник", что открывает новые возможности для управления энергетическими и сенсорными характеристиками, а также для интеграции в более сложные электронные архитектуры "Полупроводник – Металл" и "Полупроводник – Полупроводник" .

Направление "Полупроводник – Металл" фокусируется на использовании интерфейсов между полупроводниками и различными металлами для создания активных систем, способных генерировать электрическую энергию и проявлять сенсорные свойства в условиях, ранее считавшихся статическими.

Рассмотрим альтернативу последовательному соединению КРП – гексагональную топологию гибридной системы с узловыми точками КРП.

Узловые точки в гексагональной топологии функционируют как критические интерфейсы, формируя контактные разности потенциалов между тремя различными материалами. Эти точки обеспечивают множественное сопряжение, генерируя контактные потенциалы одновременно для нескольких соседних контуров (например, для шести), что является основой для функциональной активности системы.

Рис. № 3. Гексагональная топология направления "полупроводник – металл"

Традиционная физика утверждает, что в условиях термодинамического равновесия сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи равна нулю (закон Вольта), и они не могут служить источником энергии. Однако, как показывает практика, материалы с функциональной контактной активностью способны обходить эти ограничения, создавая временные токовые асимметрии и генерируя устойчивую ЭДС. В полупроводниках это достигается не только за счет микроразниц температур или градиентов, но и благодаря уникальной способности их объемного заряда взаимодействовать с внешними полями.

Ключевая роль в полупроводниках с функциональной контактной активностью отводится:

1. Барьерной и диффузионной емкостям p-n перехода.

2. Переход – металл-полупроводник.

Рассмотрим эти направления подробно.

1. Барьерная и диффузионная емкости p-n перехода.

Направление "Полупроводник – Полупроводник" предполагает создание активных систем, где основными функциональными элементами являются непосредственные контакты между различными полупроводниковыми материалами, интегрированными в аналогичную гексагональную топологию.

Барьерная и диффузионная емкости p-n перехода способны накапливать электрический заряд из окружающей среды, например, от электрического поля Земли, не на обкладках, как это происходит в классическом конденсаторе, а непосредственно в объеме p-n перехода.

Воздействие внешних электрических и/или магнитных полей приводит к изменению работы выхода полупроводников и металлов на контактных границах. Это, в свою очередь, формирует динамическую, временную асимметрию в распределении зарядов и потенциалов внутри системы. Такая асимметрия позволяет создавать направленное движение электрических зарядов и генерировать ЭДС, даже когда система находится в условиях кажущегося термодинамического равновесия, без необходимости внешнего температурного градиента, как у элементов Пельтье. Таким образом, энергия извлекается из флуктуаций или постоянного внешнего поля, которое переводит систему в неравновесное состояние на микроуровне, поддерживая макроскопический ток.

2. Переход – металл-полупроводник.

Это направление исследует "непрямляющие" омические контакты между металлами (константан, нихром, медь) и полупроводниками p-типа, такими как оксид меди (CuO). В отличие от систем с p-n переходами, сам по себе полупроводник p-типа не образует барьерную или диффузионную емкость p-n перехода. Однако эксперименты показывают, что и в таких системах возникают временные токовые асимметрии под воздействием внешних электрических и магнитных полей, а также отдельных электрических зарядов.

Отмечена электростатическая аномалия, проявляющаяся в сильной зависимости выходного напряжения от местоположения наблюдателя и ориентации системы в магнитном поле Земли. В некоторых случаях наблюдались переменные компоненты выходного напряжения с частотой 0.5–1 Гц. Эти наблюдения указывают на активное взаимодействие контактной активности с окружающим электростатическим полем, что приводит к формированию асимметрий.

3.3. Способы управления функциональной контактной активности

Для полной реализации потенциала функциональной контактной активности (ФКА), особенно в приложениях, связанных с точным сенсорингом и локализованным воздействием, необходимо разработать методы адресного управления и диагностики отдельных контактных областей в сложной многоконтактной системе. Традиционные подходы часто сталкиваются с трудностями при локализации эффектов на микроскопическом уровне. Предложенный способ развертки питающего/диагностического напряжения открывает новые возможности для решения этой задачи.

Принцип работы и техническая реализация.

Схематически, способ развертки управляющего/диагностического напряжения в длинном проводнике (электрической цепи) представлен на следующем рисунке.

Рис. № 4. Схема реализации способа способ развертки управляющего/диагностического напряжения в длинном проводнике (электрической цепи).

Длинный проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов имеет

большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длинны.

Большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длины диагностического проводника (L) позволяет точно определять сегмент с КРП с выходом из термодинамического равновесия (нагрев или охлаждение) или наоборот, управлять нагревом или охлаждением заданных сегментов КРП.

Для сканирования каждой точки КРП в биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов, с обоих сторон подают возбуждающие напряжениях противоположной полярности от выходной обмотки специального сканирующего трансформатора Т1.

Управлении фазовыми соотношениями двух возбуждающих напряжениях противоположной полярности , прикладываемые с обоих сторон проводника с КРП происходит в сканирующем трансформаторе Т1 с двумя обмотками со средними точками.

Частота возбуждающих напряжений Uвозб. противоположной полярности равной:

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.