Fonon Menjana Tenaga Getaran dalam Peranti Termoelektrik

Fonon dalam cabang ilmu fizik jirim memeluwap atau condensed matter physics ditakrifkan sebagai unit bagi tenaga getaran atom dalam kekisi hablur. Foton dan fonon boleh dibezakan dari segi tenaga dan bentuk getaran, jenis gelombang dan perlakuannya. Foton dikaitkan dengan tenaga getaran zarah yang membawa cahaya atau sinaran dalam gelombang elektromagnet. Fonon pula lebih sinonim dengan tenaga getaran dalam gelombang bunyi.

Selain itu, foton dianggap sebagai gelombang serta zarah dan merupakan entiti yang dapat dilihat secara fizikal seperti sinar-X dan sinaran inframerah. Fonon pula ialah mod getaran yang berlaku dalam sesuatu bahan dan tidak dapat dilihat secara fizikal. Zarah yang membawa cahaya atau sinaran elektromagnetik dalam foton tidak berinteraksi sama sekali (jika mempunyai panjang gelombang yang berbeza). Fonon dengan panjang gelombang yang berbeza dapat berinteraksi dan bercampur ketika saling berlanggar, lalu menghasilkan panjang gelombang yang berbeza dan mewujudkan kerancuan yang sukar untuk diramal dan dikawal.

Secara umumnya, para penyelidik dan jurutera menginovasikan ciptaan peralatan pintar dengan menggabungkan pelbagai peranti elektronik bersaiz mikro. Namun begitu, peningkatan kelajuan dan ingatan (memory) sesuatu peralatan secara berterusan akan menghasilkan haba. Berdasarkan konsep fonon dan pengaliran haba melalui hablur, bahan yang boleh nyah haba dicipta bagi meningkatkan kecekapan peralatan elektrik. Persoalannya, bagaimana fonon ini terhasil? Apabila peredaran haba yang bergerak dalam bahan pepejal (analogi bagi satu peranti elektronik dalam peralatan pintar) perlu dikawal, kebiasaannya hal tersebut dianggap sebagai proses aliran zarah.

Bagi memahami bagaimana haba menyebar melalui bahan, pertimbangkan haba seperti bunyi. Melalui pertimbangan ini, pergerakan atau getaran atom (zarah terkecil dalam pepejal) dalam kekisi dapat difahami dengan lebih mudah. Secara umum, bunyi ialah gangguan tenaga mekanik yang merambat melalui jirim dalam bentuk gelombang. Perambatan gelombang ini dibahagikan berdasarkan beberapa jenis jirim, iaitu pepejal, cecair, gas. Bagi jenis pepejal, perambatan gelombang adalah dalam bentuk mampatan dan ricih. Secara lebih terperinci, bunyi boleh diterangkan melalui ciri umum seperti frekuensi, jarak gelombang, tempoh, amplitud, kelajuan dan arah.

Frekuensi (f) didefinisikan sebagai ukuran jumlah kejadian suatu peristiwa berulang (tempoh) dalam seunit masa atau lebih mudah diungkapkan sebagai f = 1/T, iaitu T mewakili masa. Jika gelombang mempunyai halaju (ʋ) dan panjang gelombang (λ), frekuensi boleh ditakrifkan sebagai f = ʋ/λ. Getaran frekuensi yang lebih rendah adalah bersesuaian dengan bunyi, sementara getaran frekuensi yang lebih tinggi adalah bersesuaian dengan haba. Berdasarkan asas ini, boleh dirumuskan bahawa perambatan gelombang (dalam bentuk mampatan dan ricih) bagi atom dalam kekisi sesuatu pepejal berlaku pada getaran frekuensi yang lebih tinggi kerana terkait dengan penyebaran haba. Pada setiap frekuensi, prinsip mekanik kuantum menyatakan bahawa tenaga getaran mestilah gandaan dari jumlah tenaga asas (kuanta).

Konsep ini adalah sama seperti prinsip kuantum dalam foton, iaitu kuantiti tenaga tertentu yang boleh diserap atau dibebaskan oleh sesuatu sistem berkadar dengan frekuensi. Secara ringkasnya, ahli fizik menamakan tahap asas tenaga sebagai fonon, iaitu unit bagi getaran atom dalam kekisi. Apabila menyebut tentang tenaga, sudah pasti hal ini digambarkan sebagai sesuatu yang boleh dibahagikan pada tingkat yang berbeza menurut perspektif kuantum mekanik.

Secara ideal, asas bagi getaran ini boleh dianalogikan sebagai sebiji bola yang digantung pada spring. Bola mewakili atom, manakala spring mewakili kekisi dalam hablur. Spring ini akan sentiasa bergetar disebabkan oleh muatan haba yang tersimpan dalam hablur selain kehadiran daya dari luar yang mendorong bola di atas spring untuk turut sama bergetar. Getaran pada frekuensi yang sama (harmonic effect) ini boleh dikatakan sebagai gerakan harmonik ringkas (simple harmonic motion). Getaran ini boleh dinyatakan melalui persamaan hubungan sebaran. Namun begitu, secara realitinya, kebanyakan hablur dipenuhi dengan gabungan fonon yang tidak teratur (anharmonic effect) disebabkan faktor jenis dan berat atom yang berbeza dalam kekisi hablur tersebut. Selain mempunyai frekuensi yang berbeza dan bergerak dalam arah yang berbeza, semuanya saling bertindih antara satu sama lain atau disebut sebagai choppy sea.

Jika fonon tidak dapat dilihat, bagaimanakah karakter fonon dapat dicirikan? Pada kebiasaannya, sampel bahan dalam bentuk pepejal (serbuk/palet/saput tipis) bersaiz nano akan dianalisa melalui teknik pencirian spektroskopi Raman dan dibandingkan dengan teknik analisa pemodelan mekanik kuantum pengkomputeran yang dipanggil sebagai density-functional theory (DFT). Setelah dijelaskan karakter fonon secara realiti dan teknik pencirian yang boleh diguna pakai, bagaimanakah sifat fonon ini boleh dimanfaatkan untuk menyah haba dalam peralatan pintar? Mengambil contoh komputer riba dalam hal ini, komputer riba difabrikasi dengan gabungan pelbagai peranti semikonduktor seperti mikrocip. Peningkatan kelajuan dan ingatan (memory) dalam komputer riba secara berterusan akan menghasilkan haba.

Pernyataan masalah ini telah menjurus kepada idea memanipulasikan tingkah laku fonon dalam peranti semikonduktor untuk meningkatkan kadar proses nyah haba dari komputer riba melalui penggunaan peranti termoelektrik. Bahan ini bukan sahaja dapat menyah haba, bahkan dapat diguna semula untuk proses penjanaan tenaga elektrik pada suatu tahap kepanasan tertentu. Kunci utama dalam pengkajian peranti termoelektrik ialah memastikan bahan tersebut dapat mengalirkan elektrik dengan lancar melalui pergerakan elektron dan menyekat kepanasan melalui pergerakan fonon. Secara ringkasnya, dalam sesuatu aplikasi tertentu, terdapat keperluan untuk mengkaji bahan konduksi fonon yang kuat. Namun begitu, bagi sesetengah aplikasi, perkara yang ingin diberikan perhatian ialah mengurangkan penyebaran fonon.

Peranti termoelektrik berupaya menukarkan tenaga haba kepada tenaga elektrik secara langsung melalui kesan Seebeck, iaitu penghasilan perbezaan voltan yang disebabkan oleh perbezaan suhu antara dua bahan konduktor elektrik yang tidak serupa atau bahan semikonduktor. Apabila haba digunakan pada satu daripada dua bahan konduktor atau semikonduktor, maka berlaku getaran pada frekuensi yang tinggi terhadap atom dalam kekisi hablur (pergerakan fonon). Penyebaran haba ini menyebabkan elektron yang berada dalam bahan ini teruja disebabkan proses pemanasan. Oleh sebab hanya satu dari dua sisi yang dipanaskan, elektron mula bergerak ke arah sisi kedua konduktor yang lebih sejuk. Sekiranya kedua-dua konduktor disambungkan dalam bentuk litar, arus terus mengalir melalui litar. Voltan yang terhasil dari kesan Seebeck sangat kecil, iaitu dalam julat mikrovolt per Kelvin dan perbezaan ini berlaku di persimpangan suhu. Sekiranya perbezaan suhu cukup ketara, peranti ini boleh menghasilkan beberapa milivolt.

Peranti termoelektrik mempunyai pelbagai kegunaan terutamanya dalam kepesatan pembangunan Industri Revolusi 4.0 seperti sumber tenaga bagi sensor untuk aplikasi Internet Benda (IoT) atau secara amnya dikenali sebagai rangkaian sensor tanpa wayar, penggunaan semula sisa haba untuk kenderaan dan relau industri, pemulihan tenaga terma solar, pengecasan peralatan pintar di kawasan pedalaman dan penjanaan kuasa puncak. Antara kelebihan peranti termoelektrik ialah mempunyai jangka hayat yang panjang, bebas dari pencemaran bunyi dan mesra alam.

Satu daripada potensi penggunaan peranti termoelektrik dalam pemulihan mikrosistem pemulihan tenaga yang menyasarkan peningkatan tempoh jangka hayat bateri dalam komputer riba dan peningkatan kitar tugas supercapacitor bagi aplikasi rangkaian sensor tanpa wayar. Antara bahan yang berpotensi digunakan sebagai penjana termoelektrik (TEG) ialah gabungan dua jenis bahan semikonduktor yang mempunyai perbezaan suhu, iaitu panas dan sejuk dalam bentuk saput tipis berasakan sebatian tellurid (jenis-n bismut tellurid, iaitu Bi₂Te₃ dan jenis-p antimoni tellurid, iaitu Sb₂Te₃). Bahan ini berkongsi kelebihan dan sesuai dengan silikon (bahan semikonduktor utama) dalam integrasi mikroelektronik. Pada masa yang sama, bahan ini banyak digunakan dalam aplikasi industri seperti penjana dan pendingin termoelektrik konvensional.

Peranti termoelektrik dari jenis-n (Bi₂Te₃) dan jenis-p (Sb₂Te₃) ini menghasilkan kuasa elektrik dan kemudiannya, elektronik kuasa ultra rendah dengan cara melakukan pembetulan arus terus-arus terus (DC-DC rectification) dengan faktor pertukaran sebagai pembolehubah yang dimanipulasikan. Bagi tujuan ini, terdapat peningkatan pertukaran (conversion step-up) DC/DC untuk meningkatkan isyarat elektrik output yang dihasilkan dalam peranti termoelektrik.

Hasil kajian menunjukkan potensi tempoh jangka hayat bateri bagi komputer riba meningkat sebanyak tiga peratus hingga 3.8 peratus dengan kecerunan suhu 60 ºC hingga 75ºC. Sebenarnya, dalam memastikan setiap perubahan proses di peringkat aplikasi berlaku tanpa sebarang masalah, asasnya masih lagi bergantung pada keupaayaan bahan semikonduktor berfungsi mengikut mekanisma getaran atom dalam kekisi hablur Bi₂Te₃ dan Sb₂Te₃ yang berlaku pada frekuensi tinggi. Malah, faktor yang menghadkan penggunaan peranti termoelektrik dalam komputer riba secara realiti adalah disebabkan peratus keupayaannya yang masih rendah. Pelbagai kajian bersifat asas masih giat dijalankan bagi meningkatkan peratus keupayaan peranti termoelektrik pada tahap maksima.

Hal ini dapat dilaksanakan dengan menggabungkan tiga subjek utama dalam Fizik, iaitu Termodinamik, Asas Elektronik dan Fizik Keadaan Pepejal berdasarkan penyelidikan yang bertajuk Project Based Learning: Synergy in Undergraduate Physics Courses at Universiti Teknologi Malaysia di bawah Dana Teaching and Learning Research Initiative (TLRI) melalui Tabung Kewangan (Pesisir) Fakulti Sains, Universiti Teknologi Malaysia (UTM).

Sebagai kesimpulannya, tingkah laku fonon memainkan peranan utama untuk menjana tenaga getaran dalam peranti termoelektrik bagi aplikasi peralatan pintar melalui pertukaran tenaga haba kepada tenaga elektrik. Penekanan dan kajian mendalam terhadap aspek fundamental melalui gabungan tiga subjek utama dalam Fizik dapat meningkatkan capahan aplikasi peranti termoelektrik secara realiti.

Aimuni Muhammad Rawi merupakan pelajar Tahun 2, Sarjana Muda Sains Fizik (SSCZ), UTM, Skudai, Johor.

Dr. Siti Salwa Alias merupakan ahli kumpulan penyelidik Advanced Optical Materials Research Group (AOMRG), ahli Jawatankuasa The Malaysian Solid State Science & Technology Society (MASS) Chapter UTM dan Pensyarah Kanan di Jabatan Fizik, Fakulti Sains, UTM, Skudai, Johor.