我們認知的冰箱，通常是一兩公尺高的龐然大物，你能想像比「頭髮」還細的冰箱嗎？近日，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究團隊打造僅 100 奈米尺寸的熱電冷卻裝置（thermoelectric cooler），研究成員 Xin Yi Ling 表示，該裝置創下全球最小熱電冰箱的紀錄。
研究團隊將論文發表在《ACS Nono》期刊上。
研究論文傳送門
研究團隊製作厚度僅 100 奈米，體積約 1 立方微米的冷卻裝置
熱電效應是溫差與電壓的直接轉換。熱電裝置會有兩個金屬盤，內部夾有兩個不同的半導體，若對其中一邊加熱，另一邊保持低溫的話，溫差就會產生電。NASA 發射的航海家一號探測船就有使用熱電效應發電，至今已穩定運作了 40 年。
反之，若對裝置施加電壓，則會出現一邊變熱，一邊冷卻的現象，因此也能作為冷卻裝置。
研究團隊使用碲化鉍（bismuth telluride）與碲化銻鉍（antimony-bismuth telluride）半導體，製作出厚度僅 100 奈米的冷卻裝置。該裝置的體積約為 1 立方微米，肉眼看不到。研究團隊表示，指甲的成長速度為每秒 1000 立方微米，可見 1 立方微米是多微小的尺寸啊！
研究團隊使用 PEET，精準量測奈米裝置溫度
當尺寸縮小到奈米尺度，溫度量測將是巨大的挑戰。光學溫度計的解析度很低，探針的成本很高，兩者的校準都很困難。早在 2015 年，該研究團隊就已經研發 PEET（plasmon energy expansion thermometry），透過量測密度變化來測量奈米尺度的溫度。
為了量測該冷卻裝置的溫度，研究團隊將由銦原子組成的奈米微粒沉積在冷卻器上，冷卻器的溫度改變，銦原子微粒的體積就會改變，透過量測密度，研究團隊得以知道冷卻器的溫度。實驗主導者，UCLA 物理系教授 Chris Regan 表示，PEET 的解析度高，能量測奈米材料的溫度。
此外，研究團隊也設計冷凝溫度計（condensation thermometry），作為 PEET 的補充。當空氣冷卻到特定的溫度（露點溫度），水氣就會凝結，因此研究團隊透過光學顯微鏡觀測，若裝置達到露點溫度，表面就會產生小水珠。
熱電裝置體積小、運動部件少，但效率輸給壓縮機冰箱
這並不是人類第一次使用熱電效應製作冷卻裝置。熱電裝置有體積小、運動部件少、可靠性高等優點，目前已經有商業化應用，例如汽車內的小冰箱。然而熱電冰箱的效率比使用壓縮機的冰箱還低。
研究團隊表示，理想的熱電材料應該具備高導電性與低導熱性，但兩個特性通常是互斥的，難以兩全其美。藉由研究奈米材料，研究團隊希望能找到合成更高效材料的方式，也有可能在二維材料中找到適當的組合。
Regan 表示，若能了解在原子與進原子尺度下，熱電裝置如何運作的話，就有機會將它放大，產生更多的應用。
參考資料
《ACS Nano》、《UCLA News》、《PhysOrg》
（本文提供合作夥伴轉載；首圖來源：UCLA News。）
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