加州大學用「熱電效應」,打造 100 奈米尺寸的超小冰箱!

UCLA 研究團隊打造僅 100 奈米尺寸的冰箱。圖片來源:UCLA News

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。

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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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