手機或汽車發熱別浪費,專家利用新元件把熱換成電

作者 | 發布日期 2017 年 09 月 14 日 8:10 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 follow us in feedly

自各種電子設備產生的熱,終有一天能轉化成可用的新燃料來源?華盛頓州立大學物理學家 Yi Gu 團隊開發出一種稱為「范德華氏肖特基二極體」(van der Waals Schottky diode)的新二極體,由多層複合材料組成,具有顯著增強的熱電性能。研究人員認為,這種新的二極體在未來或許可為智慧型手機或汽車等產品提供革命性的電力來源。



二極體(Diode)是一種具不對稱電導的雙電極電子元件,而肖特基二極體是一種導通電壓降(電路中的專有名詞)較低、允許高速切換的二極體,一般二極體在電流流過時,會產生約 0.7~1.7 伏特的電壓降,不過肖特基二極體的電壓降只有 0.15~0.45 伏特,因此可以提升系統效率。

Yi Gu 表示,和其他電子設備中的散裝材料相比,新開發的「范德華氏肖特基二極體」將熱量轉換成電能的效率更高,已經證明是使用矽為半導體材料的 3 倍。將來,二極體的一側可以連接發熱端,比如汽車排氣孔或電腦散熱器,另一側附著室溫表面,然後二極體會利用兩端的熱差產生電流並儲存到電池。雖然這種設備還在早期發展階段,但最終將可為智慧型手機甚至汽車的各種功能提供額外電源。

在電子工業中,二極體因為順向流通、逆向阻斷的特點,類似控水閥門引導水流通過的原理,可以想成電子版的止水閥。目前,肖特基二極體元件的接合結構為金屬(鋁或銅)和半導體(以矽為材料)接面,以產生整流效果,而研究團隊打破「金屬-半導體」這種傳統,改成用多層微觀結晶「銦硒」(Indium Selenide)替代,使用簡單的加熱程序讓銦硒的一層做金屬、另一層為半導體。

實驗發現,與常規的肖特基二極體不同,新設計的二極體其接合介面幾乎沒產生雜質或缺陷,金屬和半導體間連接平滑,使電能幾乎以 100% 的效率輕鬆流動。研究合著者 Matthew McClusky 說,一般而言,將金屬連接到像矽這樣的半導體材料形成肖特基二極體時,最大的缺點是逆向偏壓較低且逆向漏電流偏大,接合面的缺陷會妨礙電能流動,但范德華氏肖特基二極體完美彌補了這種缺陷。

肖特基二極體主要應用在快速數位裝置,如智慧型手機、筆記型電腦、液晶或電漿電視機內的開關式電源等,雖然這種熱能裝置轉換無法與太陽能或風能相提並論,但或許可以在手機和汽車產品的供電來源方面異軍突起。這項研究已發表在《物理化學雜誌》

(首圖來源:shutterstock)