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奈米科学在能源与生医的应用
奈米科學在能源與生醫的應用 物理專文
奈米科學在
能源與生醫的應用
撰文 陳洋元、陳正龍
奈米科學的發展對於再生能源使用效率的提升與生物醫學的應用帶來許多新契
機。本文就當前受矚目的熱電材料與癌症光熱療法做簡要的介紹,文中並報導
熱電奈米線與金奈米棒的製作與實驗結果。
前言 如何隨著維度變化的機制已逐漸被探討與嘹解 ,然
隨著地球上的資源逐漸耗盡 ,加上日益嚴重之溫 而對低維系統中的熱學性質 ,如熱傳導 、熱電動勢
室效應 ,各種替代能源受到極大的重視 ,包括太陽 與比熱等之相關研究仍相當稀少 。而此一領域的研
能發電 ,風力 ,水力 ,生質能與廢熱回收等 。一般 究發展 ,也關係到高效率熱電材料的開發與生物醫
能源使用的過程 ,如汽車引擎傳動 、渦輪發電等 , 學的應用 。
能源並非百分百被利用 ,而是絕大多以廢熱的方式 熱電材料主是要由鉍 、鍗 、銻 、硒.. 等元素組
排放掉 ,因此如何將來自各式各樣的廢熱作有效的 成的鍗- 鉍 ,銻- 鍗合金半導體 ,實際應用上 ,會
回收再利用 ,便開始受到相當廣泛的重視 。在廢熱 將此類 P 型與 N 型半導體材料做一系列串接而成熱
回收技術中,熱電材料是一種可將電能與熱能相互 電板 ,用來做發電或致冷用途 ,如圖一所示 。學理
轉換的材料 ,其優點為構造簡單不需冷煤 、無機械 上 ,熱電材料的轉換效率可用優質係數 ZT (Figure
零組件與噪音 。目前已用在如光電耦合器 、雷射二 of merit) 來定義 ,其數學式如下:
極體冷卻 、等光電產業 ,未來在汽車廢熱的回收發
2
ZT S σT/ κ,
電 ,與高速電子元件的冷卻應用深具潛力 ,因此世
界各國的科學家都極力開發這新材料的應用[1] 。除 式中 S 為熱電動勢 , σ 為電導率 , κ 為熱傳導
了能源議題受到矚目外 ,人類的生命無時無刻都面 率 , T 為溫度 ,適當地調變這些參數 ,可有效改善
臨到病菌與癌症的無情威脅 ,如何尋找更有效的診 ZT 值 。一般而言 , ZT ~ 1, 其熱– 電轉換效率約 7~8
斷與治療機制 ,將奈米技術應用於生醫領域 ,也成 % ,然而 ZT 約 2~3 時 ,則約 16~20 % ,如圖二[2] ,
為近年來的研究重點。 此時方有機會與太陽能電池競爭 。根據理論計算 ,
奈米科技是本世紀的新希望 ,當材料的維度小到 熱電動勢與費米能位上之電子密度關係密切 ,電子
數個奈米時 ,因其表面原子數量相對於非表面原子 密度大則熱電動勢也大 ,因此如何將材料奈米化以
的比例增加 ,表面效應便顯現出來 。
同時在奈米尺度下 ,材料的電子能階
量化現象變的非常明顯 ,是謂量子尺
寸效應(Quantum size effect) ,此時奈米
材料的物理性質與塊材迴異 ,這些都
反映在電子與聲子的行為上 。迄今 ,
許多奈米材料的電性 、磁性與光學性 圖一 商用熱電板。
2010.4 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 91
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