奈米技術推升壓電、熱電材料性能

在西北大學和波士頓學院的研究小組持續不懈地努力下，先進壓電和熱電材料的奈米級關鍵尺寸，在朝向商用化能源採集應用方向邁進的過程中，正歷經不斷的改良。

由西北大學教授Horacio Espinosa領導的一個研究小組表示，透過將能源採集奈米線縮小到2.4奈米以下，壓電係數便可望推升20~100倍。而波士頓學院的研究員Xiao Yan所領導的研究組則聲稱，熱電材料可藉由對其進行5~10奈米顆粒級的熱壓，從汽車排放獲得60%到90%的熱能。

包括博士候選人Ravi Agrawal在內的西北大學壓電研究人員表示，透過將奈米氮化鎵(GaN，一種III-V族半導體)，以及氧化鋅(ZnO，一種II-VI半導體)奈米線縮小到2.4nm以下，從運動產生的能量係數可分別提升20倍和100倍。他們還運用了密度泛函理論(density function theory, DFT)來計算降至0.6nm時的性能範圍。

“建構奈米發電機、感測器和其他採用更小型奈米線的裝置，都將能大幅提高其輸出和靈敏度，”Espinosa說。

推升熱電係數

同樣，波士頓學院與麻省理工學院(MIT)、克萊姆森大學(Clemson University)，以及維吉尼亞大學(University of Virginia)合作的研究團隊則聲稱，透過首次將熱電材料球磨到10nm顆粒等級，熱電係數的質量指標(figure-of-merit)可提升到 60~90%左右，之後還能加熱使其結合在一起。如此一來，p-type的helf-Heusler熱電半導體可獲得所有今天被浪費的能源，並將它轉換為電能。

“helf-Heuslers可能會被廣泛用於汽車排放系統中，它能實現‘無廢氣浪費’的目標，而且能進行轉換為電能，”Yan說。“我們的工作有助於half-Heuslers在汽車排放系統和其他發電系統中成為更具競爭力的候選技術。”

Yan曾與波士頓學院教授Zhifeng Ren，以及麻省理工學院的Gang Chen教授合作，他表示，磨削和沖壓方法在商業上是可行的。

“這是一個可透過更經濟方式提高熱電材料性能的大好機會，”Ren說。“我們的方法不僅成本低，還可實現大規模量產。”

波士頓大學研究團隊的其他成員還包括Giri Joshi, Weishu Liu, Yucheng Lan和Hui Wang；麻省理工學院的Sangyeop Lee；維吉尼亞大學教授JoePoons和Terry Tritt。

電子工程專輯 2011/02/01

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