研究者大幅增加熱電效率

Researchers achieve dramatic increase in thermoelectric efficiency
http://www.physorg.com/news125242802.html

March 20, 2008

Boston College 與 MIT 的研究者利用奈米技術在熱電效率上實現大範圍的增加，這一個里程碑為新一代產品鋪路 -- 從半導體與空調到車輛排氣系統，以及太陽能技術 -- 它們的運作比較乾淨。

該團隊低成本的方法，詳述於今日 Science 期刊的線上版，涉及建構微小的合金奈米結構，那能夠當作微米冷卻器與發電機。研究者表示，除了價廉之外，他們的方法也很可能導致實用的、近期的強化，以製造更節能的產品，或是捕捉用他法可能會被浪費掉的能源。

這些發現代表尋求駕馭熱電效應的一個關鍵里程碑，自從它在 19 世紀初期被發現以來，便引誘科學家且使他們感到挫敗。此效應涉及創造出某些材料，那能夠將熱轉換成電，反之亦然。不過在嘗試利用此效應上已經出現一種障礙：大部分的材料，能夠導電的也能夠導熱，所以它們的溫度很快就相等。為了要改善效率，科學家得找到能夠導電但較不會導熱的材料。

利用奈米技術，BC 與 MIT 的研究者生產一種能大幅增加熱電效率的、巨大形態的鉍-銻-碲化物（bismuth antimony telluride）-- 一種半導體合金，那從 1950 年代起就常用於商業化裝置中。尤其是，該團隊實現了將該合金的熱電優值（figure of merit，一種術語，科學家用來測量某種料的相對效能）增加了 40%。這種具成本效益的材料在使用了半世紀後，這項成就標誌著第一次有這樣的增加。這種材料從室溫到攝氏 250 度都能起作用。成功地使用相對廉價且環保的合金，意味著此發現能迅速應用到一系列的用途上，導致更高的冷卻與發電效率。

"藉由運用奈米科技，我們發現一種方法，即透過破壞它，接著以一種巨大形態的、複合的奈米結構重建它，來改善一種古老的材料，" BC 物理學家 Zhifeng Ren 說，該計畫的領導者之一。"這種方法具低成本且能夠擴大為大量生產。這代表著一種令人興奮的良機，能以一種具成本效益的方法改善熱電材料的效能。"

"這些熱電材料已用於許多應用中，不過這種更好的材料能有更大的衝擊，" Gang Chen 說，MIT Warren and Towneley Rohsenow 機械工程教授，該研究計畫另一位領導者。

其核心，熱電學（thermoelectricity），是物理界中「熱與冷」的問題。例如，在一端加熱，會導致電子移動到較冷的一端，產生電流。相反地，在同樣的導線上施以電流，會將熱導從較熱的地方導向較冷的地方。聲子（Phonons），一種量子的振動模式，扮演一種關鍵角色，因為在絕緣的固體中，它們是熱傳導發生的主要方法。

鉍-銻-碲化物是種通常用於熱電產品的材料，而研究者將其輾壓成奈米塵埃，然後將其重建成巨大形態（bulk form），雖然是奈米尺度的構成。具顆粒且不規則的重構合金大幅減緩聲子通過此材料，藉由阻斷熱流動，同時又能夠讓電流動，徹底的改變熱電效能。

除了 Ren 以及六位在其 BC 實驗室的研究者外，MIT 的國際化團隊包括 Chen 以及研究所教授 Mildred S. Dresselhaus；GMZ Energy, Inc（由 Ren, Chen 所成立，位於麻州 Newton 的公司）的研究科學家 Bed Poudel與 CEO Mike Clary；以及 BC 參訪教授 Junming Liu，中國南京大學的物理學家。

熱電材料已被 NASA 用來為遙遠的太空船產生電力。這些材料也被汽車座椅製造商所使用，使駕駛在夏日期間能夠保持涼爽。汽車產業也以這種方式進行實驗，利用熱電材料將自於汽車排放系統的廢熱轉換成電流，以協助供電給車輛。

※ 相關報導：

＊ High-Thermoelectric Performance of Nanostructured Bismuth Antimony Telluride Bulk Alloys
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1156446

Bed Poudel, Qing Hao, Yi Ma, Yucheng Lan, Austin Minnich,
Bo Yu, Xiao Yan, Dezhi Wang, Andrew Muto, Daryoosh Vashaee,
Xiaoyuan Chen, Junming Liu, Mildred S. Dresselhaus,
Gang Chen, Zhifeng Ren
Science Express, Published Online March 20, 2008
DOI: 10.1126/science.1156446

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