製冷速率比真冰箱超百萬倍！科學家造出納米級「冰箱」，應用前景廣泛

2020-09-24 前瞻網

近日，由加州大學洛杉磯分校物理學教授克裡斯·裡根(Chris Regan)領導的一個團隊成功地創造了只有100納米厚的熱電冷卻器。

裡根對此頗為自豪，表示：「我們製造了世界上最小的冰箱」。其實，這種微型設備並非日常意義上的冰箱。但其應用前景卻很廣泛，可以用於用於冷卻計算機和其他電子設備，調節光纖網絡的溫度，以及減少高端望遠鏡和數位相機的圖像噪點。

這種器件由將兩種不同的半導體夾在金屬化板之間製成，有兩種工作方式。加熱時，一邊變熱，另一邊變冷;產生的溫差可以用來發電。例如，美國宇航局旅行者號宇宙飛船上的科學儀器40年來一直就是靠熱電裝置供電。將來，類似的設備可能用於從汽車尾氣中獲取熱量，為空調提供動力。

這個過程也是可逆的。當電流施加到設備上時，一側變熱，另一側變冷，使其能夠用作冷卻器，這項技術有朝一日可能會取代冰箱中的蒸汽壓縮系統。

為了製造熱電冷卻器，裡根團隊使用了兩種標準半導體材料:碲化鉍(Bismuth telluride)和碲化銻鉍(Antimony-bismuth telluride)。碲化鉍是既是半導體也是熱電材料，具有較好的導電性，但導熱性較差。

研究人員將普通透明膠帶貼在大塊的傳統散裝材料上，將其剝離，然後從仍然粘在膠帶上的材料中獲取了很薄的單囊薄片。從這些薄片中，他們製造了只有100納米厚的功能器件，總有效體積約1立方微米，人的肉眼看不見。

圖為顯微鏡下的熱電設備，其中左右兩個條狀物就是實驗所用的兩種半導體材料，中間的神色部分為發熱/製冷區域，周圍的斑點則是銦納米粒子，用於測量溫度變化。

這種納米級「冰箱」的另一個顯著特徵是其快速的響應速度，其製冷速度要比目前使用的冰箱快數百萬倍。

不過，該裝置也存在缺點，與傳統的基於壓縮的系統相比，其效率較低，阻礙了該技術的廣泛採用。簡而言之，在更大的範圍內，熱電設備無法產生足夠的電力，也無法使溫度大幅下降。

要在納米級別上測量溫度的變化也是一項挑戰。光學溫度計在這種情況下精確度很低，掃描探針技術需要專門、昂貴的設備。

為此，裡根的研究小組開發了一種叫做等離子體能量膨脹測溫法(Plasmon Energy Expansion Thermometry,PEET)的測溫技術，使用透射電子顯微鏡通過測量密度的變化來確定納米尺度的溫度。

為了測量熱電冷卻器的溫度，研究人員在每個冷卻器上沉積了由銦元素製成的納米粒子。當研究小組改變冷卻器的功率時，設備被加熱和冷卻，銦相應地膨脹和收縮。通過測量銦的密度，研究人員能夠確定納米粒子的精確溫度，從而確定冷卻器的溫度。

作為補充，研究人員還發明了一種叫做冷凝測溫的技術。原理很簡單:當正常空氣冷卻到一定溫度時，空氣中的水蒸氣凝結成液滴。該團隊利用這種效應，在用光學顯微鏡觀察的同時給熱電設備供電。當設備達到臨界溫度時，其表面會立即形成微小的露珠。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：

https://newatlas.com/electronics/worlds-smallest-refrigerator-one-cubic-micrometer/

https://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-scientists-create-worlds-smallest-refrigerator

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