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交通大學與北海道大學跨校合作 研發電子三明治使熱電性能倍增

日本北海道大學太田裕道教授團隊與交通大學電子物理系許鈺敏教授團隊攜手合作,透過縮小傳播電子移動的空間,提高將廢熱轉化為電力的能力,有助於減少日常活動和工業中的熱能浪費,從而降低化石燃料的浪費。這項研究獲刊於國際頂尖期刊《Nature Communications》,20日正式發表。

化石燃料產生的能源中,有超過60%會作為廢熱而損失。為解決這個問題的其中一種方法,是將浪費的熱量轉換成電能,稱為熱電能量轉換。但是,材料的物理特性之間具有折衷關係(trade-off),讓提高轉換率一直是很困難的議題。

科學家不斷研究如何將電子限制在狹窄的空間內,以此提高轉換率。 2007年,研究人員構建了由超薄絕緣層夾著的超薄層組成的人造超晶格,該方法產生了較高的電壓,但沒有提高轉換率。研究人員預測,如果利用德布洛伊波長(de Broglie wavelength)較長的電子(這意味著它們更加分散)被限制在一個狹窄的導電層中,則轉換性能可以顯著提高,然而此想法從未得到實驗證實。

北海道大學太田裕道教授領導的研究團隊設計出電子三明治(electron sandwitch),此一超晶格的電子比先前的實驗擴大了30%,將熱能轉化為電能的能力提高了一倍。太田裕道教授表示,這項研究將有助於降低化石燃料的浪費,「是向減少發電廠、工廠、汽車、電腦甚至人體浪費的熱量,邁出重要的一大步。」

確認熱電性能的提高,須同時理解熱傳導與電傳導兩項性質,電傳導的改良必須配合相對應熱傳導率減少才能提高熱電效應。交大電物系許鈺敏教授團隊以先進飛秒光源 (fs-laser) 設計超晶格熱傳導的量測,解決薄膜熱傳導在傳統量測上所面臨的最大瓶頸。此技術除了具有時間解析度高(約可解析10-13秒)的特性外,也可以探測超晶格薄膜與其表面金屬層之間,是否存在良好的介面熱導通率,並進而判斷超晶格薄膜合成後的品質。這些量測專業技術與介面之間物理性質的理解,提供了此研究在超晶格薄膜熱傳導率與薄膜品質上的最直接判斷。

這項跨國合作研究經費與設施,感謝科技部及教育部高教深耕計畫之特色領域研究中心的交大新世代功能性物質研究中心,與交大低維度先進量子材料研究中心共同支持與贊助。同時感謝日本科學促進會的資助。

新聞來源:交大首頁新聞

国立交通大学 National Chiao Tung University (NCTU)
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