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？

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。