熱整流效應

■電流可以被整流,熱流是不是也可以呢?能夠整「熱」流的熱二極體會長什麼樣子呢?

撰文|方程毅

二極體(Diode)是一個常見的電子元件,當元件通電時,電流只能從正流到負,不能從負流到正,這個現象稱為整流,中學物理也曾提及二極體是將交流電變直流電的方法之一。電流可以被整流,其他流是不是也可以呢?美國內布拉斯加大學林肯分校(University of Nebraska-Lincoln)的idy Ndao教授最近研發出給熱流用的二極體,讓熱傳往某一特定方向的速度大於反方向,並且可以在高溫下(326 °C)使用,其結果發表在 Scientific Reports

二極體的應用相當廣泛,其整流效應可應用於邏輯電路進而進行資料傳輸或數位計算。也就是說,二極體是當今數位世界運作的基本架構。

但是,如果要將數位世界應用在地心或太空中高溫環境呢?

一般電子元件都有一定的操作溫度,若是環境溫度太高,便會失效。因此用電進行運算不是一個好主意,必須使用其他媒介。科學家於是想到了「熱」。如果熱傳元件可以在嚴峻的高溫環境使用,地心探險或太空任務便有機會派上用場。

電流從正流到負,熱從高溫流向低溫;電二極體正偏壓有電流,負偏壓沒電流,如果有類似電二極體的「熱二極體」,要怎麼運作呢?

Credit: Elzouka and Ndao. Published in Nature Scientific Reports.

圖(a)為元件示意圖,元件分為上下兩端,上端固定不動、下端可以移動。熱的流動方向永遠是高溫到低溫,因此所謂的整流效應是指當上端高溫下端低溫時,熱不容易從上端留到下端(Reverse,就像負偏壓);而上端低溫,下端高溫時,從下端到上端的熱流會比較順暢(Forward,正偏壓)。

能夠產生熱整流效應的關鍵在可以自由移動的下端,當下端低溫時,上下兩端的間距很大,熱不容易從上端傳到下端;下端高溫時,下端會往上抬,使上下兩端的間距縮小,熱要從下傳到上端就容易的多。從圖(b)-(d)可以大致看到元件尺寸,大約在幾百微米左右,不到一公厘(mm)。而上下兩端的間距更是只有3-5微米(一般人的頭髮寬度大約為數十微米)。

看到這裡你心中可能會浮現一個問題:唬爛的吧!間距3-5微米的變化怎麼可能對熱流速度有影響?沒錯,這個元件的整流能力遠不及電子二極體,但就算如此,它還是具有整流效應,只是這樣的間距改變會有整流效應還是很難令人相信。如果用一般的熱傳概念:傳導、對流跟輻射,的確無法解釋,要解釋此現象必須引入近場熱輻射(near-field thermal radiation)的概念,我們曾在《超越理論輻射的極限─近場熱輻射》一文中介紹這個熱傳機制。簡單來說,當兩物體間距非常小的時候會有一種特殊的輻射傳熱,這個輻射傳熱對兩物體距離變化非常敏感,一點點間距變化便會大幅改變熱傳的速度,這也是為什麼上下兩端間距的小小改變可以做出熱二極體。

至於這個元件的材料為何?基本上只要看到尺寸那麼小,結構又精細的東西,十之八九都是矽(Si),因為也只有矽半導體工業有如此精準的控制能力。

Sidy Ndao教授在接受知名科普網站《Phy.org》訪問時表示:「我們基本上做出了一個『熱腦(Thermal computer)』的基本元件,並且可以在高溫下工作。」「不像一般元件使用電子傳遞資料,奈米熱微機械(NanoThermoMechanical)記憶體或邏輯電路使用熱來記錄或處理資料,他們同時也能在嚴峻的環境下工作,而這些環境通常會讓電子元件都會失效。」

 

原始論文:Elzouka, Mahmoud, and Sidy Ndao. "High Temperature Near-Field NanoThermoMechanical Rectification." Scientific Reports 7 (2017).

參考資料:Phys.org《Building block of thermal computer operates at 600 K

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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