Only Perception: 熱電效率中，一個令人意外的線索

2011-08-03

熱電效率中，一個令人意外的線索

An unexpected clue to thermopower efficiency
http://www.physorg.com/news/2011-07-unexpected-clue-thermopower-efficiency.html

July 28, 2011

美國能源部 LBNL（Berkeley Lab）的科學家以及他們的同僚發現電場與磁場之間的新關係以及在溫度上的差異，那也許能導致更有效率的熱電裝置（thermoelectric devices，那可將熱轉換成電或將電轉換成熱）。

"在尋找新能源上，熱電（thermopower）-- 能將溫差直接轉換成電，不需耗能的中間步驟 -- 大有可為，" Berkeley Lab 材料科學部門（MSD）的 Junqiao Wu（音譯：吳俊俏）表示，他領導這個研究團隊。 Wu 也是一位 UCB 材料科學與工程教授。"而我們所發現的這種新效應被熱電社群忽略了，那能大幅影響熱電與其他裝置的效率。"

Wu 及其同僚發現，半導體中的溫度梯度（當裝置的某一端比另一端熱）能造成電渦流（electronic vortices） -- 電流的漩渦 -- 且同時能在垂直於旋轉電流平面與熱梯度方向的角度上創造出磁場。研究者在 Physical Review B 期刊中報告他們的結果。

Wu 表示，"有四種眾所皆知的效應與熱、電還有磁場相關，" -- 例如，常見的霍爾效應（Hall effec，那描述在一垂直磁場中遍佈一電導體的電壓差） -- "不過在所有的效應中，磁場是一種輸入而非輸出。我們問，"為何不把電場與熱梯度當輸入用，並試著產生磁場？"

為了測試這種可能性，研究者以二層矽塑造出一個實際的裝置：一層薄薄的負摻雜層（negatively doped layer，N-type），具過剩電子，以及一層厚厚的正摻雜層（positively doped layer，P-type），具過剩電洞，那缺乏電子，表現如帶正電的粒子。

在接面（junction）上，相反摻雜的矽層在此交會，形成第三種層次，稱為 P-N 接面，並非實體的而是電氣的：來自 N-type 層的電子擴散通過物理邊界進入到 P-type 層，而電洞則往相反方向移動，形成一空乏層（depletion layer），在此電荷都「乾涸了」。

在 N-type 層表面給予高密度的移動電子，在 P-type 層表面給予高密度的移動電洞，但在空乏層中只有少數的移動電荷，電場在靠近接面處最強。當一熱梯度施加到接合矽層時，位於深處的這一層具有深遠的影響力。

喚醒並聞到香檳

"電荷有三種移動方式 -- 三種電流，" Wu 說。"其一是擴散電流（diffusion current），在其中粒子從較稠密區域移動到較不稠密的區域。這與電荷無關。想像一瓶香檳。我拔出軟木塞，過一陣子之後你就能聞到香檳，因為分子從瓶內稠密之處擴散到空氣中。"

第二種電流稱為漂移電流（drift current）。"如果房內有道氣流（draft）朝你移動，你也許會早點聞到香檳，又如果它從你這裡離開，你就會晚點聞到，" Wu 解釋。"在一個電子裝置中，漂移電流起因於偏電壓（voltage bias）、電場。"

Wu 表示，"故在一電子裝置內，我們有來自電荷稠密區域的擴散電流，以及起因於電場的漂移電流，而現在我們加入第三種，熱電電流（thermoelectric current），那是漂移電流的另一種形態，其中，電荷載體從裝置較熱的一端移動到較冷的一端。"

若這些電流全都指向相同，或相反方向，這些結果會很無趣，但它們並非如此。電場在負電荷頂層設置一道朝裝置帶正電荷底部而去的荷漂移電流 -- 與擴散電流方向相反的移動。與此同時，熱梯度在垂直於電場的方向上設置一漂移電流。

"在這些相衝的垂直力中，電子與電洞無法維持筆直運動，而是被吸入渦流中，" Wu 說。裝置中並非只有一個垂直渦流，渦流來自每一層，而且被空乏層分開。在 N-type 層中，靠近空乏層的廣泛擴散電子隨著溫度梯度移動，從熱到冷，不過在靠近表面處卻以相反方向移動，在此電子靠的較近。在 N-type 層中由電洞所形成的渦流幾乎是電子渦流的鏡像。

不尋常的結果是，不過是將熱施加到一簡單矽裝置的一端，研究者就能夠產生垂直於二個雙胞胎渦流的磁場 -- 這個磁場在垂直於二矽層的平面上浮現。

"立即的應用並不是我們能製造一個相對較弱的磁場，而是領悟到，如果我們做得對，許多半導體裝置（包括商業化產品）的效率可以更好，" Wu 說。"例如，經過設計以確保它們的電場及組成或摻雜中的不均勻性（ inhomogeneities）對齊它們的熱梯度，將可避免這些耗能的電渦流。"

Wu 雖為這種新效應感到著迷，不過他與他隊友的發現並沒有停滯於此。"我的興趣並不只在於製造更有效率的電子裝置，而是從這兒製造更棒的東西。第一步是以實驗證實我們透過塑模而發現的東西。在這之後，一個全新的研究計畫將開啟。"

Wu 解釋，在電流模型中起因於溫差的顯著電與磁效應也許能藉由其他種類的不均勻激發（inhomogeneous excitation）重現 -- 例如，光落在太陽能電池上的方式。"不同強度或不同波長的光落在一光伏裝置不同的區域上，將產生同一種電渦流，而且會影響太陽能電池的效率。理解此一效應，也許是一種提昇電子裝置、熱電以及太陽能電池效率的優良路線。"

※ 相關報導：

＊ Electrothermally driven current vortices in inhomogeneous bipolar semiconductors
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.84.045205

D. Fu, A. X. Levander, R. Zhang, J. W. Ager, III, and
J. Wu
Phys. Rev. B 84, 045205 (2011) [6 pages] s
doi: 10.1103/PhysRevB.84.045205

We report an effect that occurs in semiconductors where internal electrical fields interact with a temperature gradient（一種發生在半導體中的效應，在此內部電場與溫度梯度交互作用）. Steady current vortices and a magnetic field develop in the system, even without external carrier injection. The effect is electrodynamic, energy dissipative, and fundamentally distinct from any previously described electrothermal effects. In bipolar structures the effective thermopower can be significantly modified by the vortices. Joule heating（焦耳熱） arising from the vortices reduces the thermal conductivity by an amount comparable to the electronic thermal conductivity.