2017 六月號
標頭

第140期電子報  出刊日期:1060620


科學新文摘

 

導電但不導熱:夢幻的熱電材料「二氧化釩」

文/魏百駿|畢業於清大材料所,現職為中研院物理所博士後研究員(陳洋元實驗室),專攻熱電材料及相關材料物理。

熱電材料可以把熱能轉為電能。而能將廢熱有效率轉為電能,一直是科學家的夢想。但是熱電材料一直有個瓶頸,材料需要同時具導電好卻導熱差的特性。而一般導電好的材料,譬如金、銀、銅等金屬,導熱也同時較好,並不適合作為熱電材料。最近美國柏克萊實驗室發現二氧化釩(VO2)裡的電荷載子具導電卻不導熱的性質,為熱電材料帶來新契機。

5

在這張套色的掃描電子顯微鏡的影像中,通過將熱量從懸浮的熱源墊(紅色)傳輸到感測墊(藍色)來測量熱導率。 期間以二氧化釩的納米骨架橋接。 Credit: Junqiao Wu/Berkeley Lab

固體內的熱傳導

熱傳導為能量(熱能)從高溫處往低溫傳輸的現象。固體中,熱的傳輸有兩種媒介:

(1)原子晶格的熱振盪以及

(2)利用電子之類的自由載子(free carrier)來承載。

晶格熱振盪形成的彈性波,從量子力學的角度,科學家將之稱為「聲子(phonon)」;自由載子指的是可以自由移動,且帶有電荷的物質微粒,如電子和離子,能同時攜帶電荷及熱能。

一般而言,導電良好的材料內,電子在運動過程中受到的「阻力(電阻)」較小,電荷可快速傳輸。在此同時,自由載子也將熱能快速傳遞。這個現象是 1853 年維德曼(Gustav Wiedemann)和夫蘭茲(Rudolph Franz)在實驗中發現的,它主要描述了金屬電導率 σ 和熱導率 ρ 之間的關係,其中比例常數 L 稱之為羅倫茲常數(Lorentz number),也就是導電率越高,熱傳導率也就愈高。

然而,近期美國柏克萊實驗室在 Science 期刊上發表一項重大發現,二氧化釩奈米線中的自由載子導電不導熱!明顯打破維德曼-夫蘭茲定律(Wiedemann–Franz law)!因為其內的自由載子間具有很強的相互作用,使得電荷和熱能的輸運(transport)分開,不再藉由同一個自由載子來進行輸運!

2

柏克萊大學研究團隊。Credit: Junqiao Wu/Berkeley Lab

二氧化釩是一個具有「金屬-絕緣體相變(Metal-insulator transition)」的材料。於溫度 68°C 以上的環境,二氧化釩會具有金屬特性,若位於 68°C 以下環境,則會具有絕緣體特性。柏克萊團隊為了證實中的自由載子在輸運電荷的過程中並不肩負熱的傳輸,他們利用懸空的單晶奈米線結構,保證熱流與電流傳導為同一方向,也去除材料中應力與多晶格方向的影響。

如前文所述,熱導率來自於自由載子與聲子,經由實驗測得的熱傳導率減去理論晶格熱傳導率,並比對導電相與絕緣體相的理論及實驗值,該團隊確認金屬性二氧化釩中,電子所貢獻的熱傳導率約為維德曼-夫蘭茲定律預測的 10~20%,也就是自由載子帶的熱能比該理論預測少很多,非常難得一見。

3

藍色為釩原子,左側為導電階段。source:Atomic Vibrations Stabilize Metallic Vanadium Dioxide

現今我們對這樣電輸運與熱輸運解偶(decouple)的材料系統知道的不多。如果能深入了解其中電與熱解偶的機制,以及其內聲子如何與電子交互作用、電子之間如何交互作用等,對於開發所謂能將熱能直接轉換成電能、或電能直接轉換成溫差的熱電元件,將是極大的助益。

廢熱再利用

4

導電竟然有可能不導熱?圖/By garycycles8 @ flickr, CC BY 2.0

我們人類活動中產生的電能或動能,大多是以熱的形式浪費掉(廢熱)。熱電元件具備可直接將熱能轉換為可利用的電能(不透過任何機械裝置)的特性,因此具備可回收廢熱的優點!尤其是針對回收不易、介於 100~200°C 之間的低溫廢熱更具優勢。因此若能開發出具備非常高效率的熱-電轉換材料,有益於環境保護及空間節省。科學家利用「熱電優值」ZT 來衡量描述材料的熱電轉換能力,Z 是材料的熱電係數,T 是熱力學溫度。更詳細的來說:ZT= S2σT/κ,也就是說熱電優值的大小直接與熱傳導率(κ)、導電度(σ)及溫度(T)是相互關連的,而 S 為席貝克係數(Seebeck coefficient)。由上述 ZT 的關係式可知,好的熱電材料需要電導高但熱導低的特性,這也是目前熱電材料最大瓶頸。

若在熱電材料中自由載子導電卻不導熱,我們從電子貢獻的 ZTe=S2/L=S2σT/κe,不難看出如果羅倫茲常數趨近於零可以使得該材料中,電子的熱電效率無窮大!因此若能找到完全不遵守維德曼-夫蘭茲定律的材料系統,那麼等於找到夢想中的高效率熱電材料,而「壞金屬(bad metal)」,也就是自由載子傳輸的自由徑(mean free path)小於晶格大小的材料,是非常有潛力的材料系統。

最近幾年有些相關理論及實驗發表於重要國際期刊,探討如導電二氧化釩系統的「壞金屬」。不難發現這些具有非常規電子動力學的材料系統所牽涉的領域相當廣泛,且許多部分仍屬推測或未知。尋找突破維德曼-夫蘭茲定律的系統對於發展高效率熱電材料固然重要,然而在到達終點之前,我們仍有許多問題需要回答。熱電學中的三個主要參數:導電度、席貝克係數、熱傳導率本身每個都是度量材料電子及聲子動力系統的偵測儀,因此在可期待的未來,可藉由熱電物理的手來解開物理中未知且重要的一環。

延伸閱讀:

“Anomalously low electronic thermal conductivity in metallic vanadium dioxide" Sciencescience.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aag0410

文章來源網址:http://pansci.asia/archives/119044

 


活動訊息_圖示

近距離探索太陽風 探測器將飛到日冕軌道

新聞故事:美國太空總署(NASA)明年將發射一艘太空船,航向人類最熟悉卻也最陌生的星球:太陽。太空船估計要花7年才會抵達目的地,並在距離太陽表面390萬英里(約624萬公里)處,發射一具探測器,近距離觀察太陽外部大氣層「日冕」。這將是NASA第一個飛到日冕軌道的探測器,也是人類首次如此近距離觀察太陽。

NASA明年將發射一艘太空船,近距離觀察太陽外部大氣層日冕。 美聯社

帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)高約3公尺、外罩12公分厚的碳複合(carbon/carbon composite)保護罩,預定2018年7月發射升空,2024年12月底環繞太陽24周,每次環繞的距離會越來越接近太陽,藉此探索太陽風(solar wind)的奧秘。

這艘太空船以1958年正確預測太陽風存在的天文學家帕克(Eugene Parker)命名,這是NASA首次以仍健在的科學家命名太空船。90歲的芝加哥大學名譽教授帕克說:「太陽探測器正進入一個從未被探索過的空間區域,非常令人興奮!人們想對太陽風之中發生的事情進行更詳細的測量,相信會有一些驚喜。」

不同於過去的太空任務,帕克太陽探測器將直接飛進日冕所在的軌道上,距離太陽表面僅624萬公里,相當於太陽與水星(Mercury)距離的八分之一,以探索並觀測太陽外部,深入瞭解太陽風。探測器屆時將承受攝氏1400度左右的熾熱高溫和輻射,最靠近太陽時將以每小時72萬公里的速度飛行,相當於不到一分鐘就從美國紐約飛到日本東京。

NASA指出,近距離探測太陽,將回答一些長期以來困擾天文學家的問題,有助於揭示太陽運行的機制,瞭解太陽與行星、地球的關係,提高人類預測太空天氣的能力,改善會影響地球生命的主要天氣事件,並協助太空衛星和太空人觀測。

對於太陽物理學而言,「帕克太陽探測器」堪稱哈伯望遠鏡級別的任務,這項計畫耗資15億美元(約合台幣454億元),預計結束時間為2025年6月。

文/陳韻涵

新聞來源網址:https://udn.com/news/story/6947/2517818


活動訊息_圖示

主  題:2017物理教育聯合會議
日  期:106年8月24日~8月26日(星期四~六)
地  點:東海大學
活動網址:http://phyedu.gogomango.net/site/

主  題:2017全國自然領域探究與實作研討會暨教學工作坊
日  期:106年7月21日~7月22日(星期五~六)
地  點:彰化師範大學
活動網址:http://science.ncue.edu.tw/science/index.html

主  題:你想看的奈米世界 夏日徵件活動
日  期:於107.07.15前將構想書E-MAIL至wan gcr@thu.edu.tw
活動網址:https://goo.gl/5wKupw

主  題:危險!? 地球周圍的近地小行星
日  期:2017年06月24日 14:00~16:00
地  點:臺北市立天文科學教育館
活動網址:http://ticket-app.tam.gov.tw/activity/cp.php?actno=1411

主  題:高級中等學校MOOCs 課程」計畫第一階段成果分享會工作坊
日  期:106年7月27日(二)09:00-17:00
地  點:國家教育研究院臺北院區國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2226292

主  題:2017全國自然領域探究與實作研討會暨教學工作坊
日  期:106年7月21日~7月22日(星期五~六)
地  點:彰化師範大學
活動網址:http://science.ncue.edu.tw/science/index.html

主  題:第57屆全國科展
日  期:106年7月24日(一)-106年7月30日(日)止
地  點:雲林科技大學
活動網址:http://nphssf57.ylc.edu.tw/

主  題:仿生展 從大自然來的絕妙點子
日  期:105年12月15日(四)-106年8月31日(四)止
地  點:國立台灣科學教育館
活動網址:https://www.facebook.com/BiomimicryInspiredbyNature/

 
 

物理學科中心承辦學校為臺中市立臺中第一高級中等學校
物理學科中心網址:http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/

物理學科中心FB粉絲專頁:http://goo.gl/2hDFA3


一、 學科中心提供的服務
  • 教師專業成長相關進修研習
  • 教材教法示例與各類教學資源分享
  • 課程宣導與推廣
  • 學科實務意見蒐集
  • 教師討論網路平台
  • 發行學科電子報
二、 學科中心推動工作
  • 研發及蒐集學科教學資源
  • 培訓學科種子教師
  • 規劃辦理分區或縣市教師增能研習
  • 建置學科教師區域聯繫網
  • 學科中心電子報與網路平台服務
 

 

 


物理學科中心網址: http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/
聯絡電話:(04)22226081轉811        email  聯絡信箱:physics@tcfsh.tc.edu.tw
聯絡人: 蔡沛霖