Only Perception: 由熱生電：柏克來在矽奈米線上的熱電突破

2008-01-17

由熱生電：柏克來在矽奈米線上的熱電突破

Feeling the Heat: Berkeley Researchers Make Thermoelectric Breakthrough in Silicon Nanowires
http://www.physorg.com/news119201015.html

January 10, 2008

在電力產生中以熱（內能）流失的能量現在可透過矽奈米線加以利用。該奈米線以美國能源部 LBNL 與加州大學柏克來分校（UCB）所開發的技術合成。此技術未來的可能應用還包括 DOE 以氫燃料電池為動力的「Freedom CAR（http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/）」還有以個人為動力的夾克，那能利用體熱為手機電池或其他電子裝置充電。

"這是矽之高效能熱電能力的第一個展示，" Arun Majumdar 說，同時任職於 LBNL 與 UCB 的機械工程師與材料科學家，他是此研究背後主要的研究者。

"我們證實在室溫下有可能利用粗糙的矽奈米線，那經晶圓等級的電化學合成處理過，讓熱電能源效率大幅增加，" 化學家 Peidong Yang 說，此研究背後另一位主要研究者，他也同時任職於 LBNL 與 UCB。

Majumdar 與 Yang 是一篇論文的共同作者，該論文發表在 2008 1/10 當期 Nature 上。

這篇論文描述一種獨特的「無電鍍蝕刻（electroless etching）」方法，在此法中，矽奈米線陣列在面積有數十平方英寸之晶圓表面的水溶液當中合成。不同於其他合成技術，那產生具光滑表面的奈米線，這種無電鍍蝕刻法可產生垂直排列的矽奈米線，具有粗糙表面。這種崎嶇不平，據信對矽奈米線驚人的高熱電效能至為關鍵。

"粗糙表面在減少矽奈米線的熱傳導性達百倍以上，無疑扮演一種角色，不過此時我們尚未完全了解此物理學，" Majumdar 說。"雖然我們不能確切說明為何它能運作，但我們卻能說此技術有用。"

幾乎世上所有電力，大約 10 兆瓦特，是由熱引擎、以氣體或蒸汽為動力的巨型渦輪機所產生，那將熱轉換成機械能，然後再轉換成電能。然而，大部分的熱並沒有被轉換，而是釋放到環境中，大約 15 兆瓦特。若即使一小部份逸散的熱能被轉成電力，它對能源情勢的衝擊將十分巨大。

"熱電材料，擁有將熱轉換成電力的能力，有可能用來捕捉許多現在流失掉的低級廢熱（low-grade waste heat）並將其轉換成電力，" Majumdar 說。"這將大大節省燃料以及二氧化碳的排放。同樣裝置也能作為冰箱或空調，且因這種裝置能微型化，所以它能更局部與有效地加熱與冷卻。"

然而科學家與工程師現在所面臨的挑戰是要讓熱電材料的效率足夠實用。目標是要讓一種效能測量，稱為「熱電優值（thermoelectric figure of merit）」或 ZT 值在 1.0 以上，那結合了一個材料的電與熱傳導性，以及自熱生電的能力。因為這些參數普遍相依，要達到此一目標已證明非常困難。

最近幾年，在 1.0 以上的 ZT 值已由奈米薄膜與半導體碲化鉍（bismuth telluride）及其合金所製成的奈米結構達成，不過這種材料很昂貴、很難應用，且無助於大規模的能量轉換。

"大塊的矽在室溫下是種差勁的熱電材料，但在大體上藉由減少我們矽奈米線的熱傳導性而不會顯著減少電傳導性，我們在室溫下，於直徑約 50 奈米的導線中已獲得 0.6 的 ZT 值，" Yang 說。藉由減少奈米線的直徑，再加上最佳化摻雜與粗糙度控制，我們應當能在室溫下獲得高於 1.0 的 ZT 值。"

能夠將一塊晶圓進入溶液中並在其表面長出垂直排列的奈米線森林，在尺寸上前後一致，為熱電模組的創造開啟了一扇門，而且在很廣泛的情況下都能應用。例如，這種模組能將汽車的廢熱轉換成 Freedom CAR 這類汽車的動力，或是為傳統汽車的收音機、空調、動力窗等提供電力。

當規模擴大，熱電模組終將能與氣體或蒸汽渦輪機共同產生電力。

"你能在任何發熱的地方產生電力，" Majumdar 說。"例如，你在外頭若穿上嵌入熱電模組的夾克，你能用體熱為手機充電。事實上，熱電發電機以用來將體熱轉換成手錶的電力。"

Berkeley Lab 的研究者將持續研究背後的物理現象，並進一步改善它，此外它們的 Technology Transfer 部門也在尋求業界夥伴將此技術商業化。

※ 未來的發電機將會是十八般武藝樣樣俱全的怪物。

＊ Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires
http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7175/index.html

Allon I. Hochbaum, Renkun Chen, Raul Diaz Delgado,
Wenjie Liang, Erik C. Garnett, Mark Najarian,
Arun Majumdar & Peidong Yang
Nature 451, 163-167 (10 January 2008)
doi:10.1038/nature06381