具備龐大IoT應用潛力的新型熱電材料

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times Europe編輯、EEWeb主編

奧地利維也納工業大學固態物理研究所(Solid State Physics at TU Wien)教授Ernst Bauer正在進行一項研究,專注於在矽晶圓上沉澱Full-Heusler薄膜合金,因為這種材料的PF和ZT值相當高且成本適中。除了在熱電效能上有較高的價值外,這種薄膜材料還可作為微電子等應用領域的基礎。

歐洲的研究人員近日開發出一種新型材料,相較於之前的熱電材料,在將熱量轉化為電能的表現上更好,可望成為物聯網(IoT)應用一大福音。

以電池為基礎的解決方案正變得越來越高效率、越來越小型化,但是對於一些還無法充分提高其電池電量的應用,例如物聯網中旨在實現零功耗的感測器,仍將仰賴能量採集(energy harvesting)技術。能量採集是指從環境或系統本身收集能量來為電子裝置供電,而對能量採集的關注激勵了互補技術的發展,如超低功耗──皮瓦(picowatts)等級──微電子元件和超級電容。

此時,可以將熱能轉換為電能的熱電材料開始發揮作用,這種前所未有的能力可提供自主和可再生的能源,它廣泛應用於多種技術,例如感測器甚至小型電腦處理器,使它們能夠透過溫差本身產生能量。越來越多高效率元件的出現,可望為充分利用能量採集優勢的新一代解決方案之發展鋪路。

塞貝克效應(Seebeck effect)是指材料兩側的溫差引發電壓差的現象,PN接面(PN junction)是熱電元件(TEG)的基本元素,它由P型和N型的單一結構熱電材料組成,這種單一結構是透過在矽中摻入硼(P)和磷(N)等雜質而實現,多個PN接面以電氣串聯。

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圖1:熱電產生器(TEG)本質上由具有兩個表面的珀爾帖單元(Peltier cell)來表現:熱(h)和冷(c)。

TEG模組實質上由多個串聯的PN接面組成,這種結構產生的電壓與溫度差成正比:從熱的角度看,PN接面平行放置。熱電或TEG發電模組已經應用於許多領域,以收集由放射性物質衰減而產生的熱量(如圖1)。在這個過程中,效率取決於裝置的熱端(Th)和冷端(Tc)之間的溫度差以及熱電材料的性能,用熱電優質(ZT)表示如下:

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其中S、ρ和λ分別是塞貝克係數(Seebeck coefficient)、電阻率(electrical resistivity)和熱導率(thermal conductivity),T是測量熱電特性時的溫度。所謂的ZT值表明在既定溫差下可以產生的電能:材料的ZT值越高,熱電性能越好。要提高某種材料的熱電性能,必須提高功率因數 PF=S2/ρ,並且減小導熱係數 λ=λeph──λe和λph分別代表電子和聲子(phononic)的作用。

熱處理過程的效率取決於三個參數:塞貝克係數、電阻率和熱導率。這三個構成熱電優質的物理特性並非彼此獨立,改善其中之一而不導致另一個惡化是很困難、甚至不可能的。λph(T) 是唯一可以隨意更改而不會影響其他的參數,因此提高整體效率的最有效方法就是縮小尺寸。

奧地利維也納工業大學固態物理研究所(Solid State Physics at TU Wien)教授Ernst Bauer正在進行一項研究,專注於在矽晶圓上沉澱Full-Heusler薄膜合金,因為這種材料的PF和ZT值相當高且成本適中。除了在熱電效能上有較高的價值外,這種薄膜材料還可作為微電子等應用領域的基礎。

迄今已知的最佳熱電材料ZT值介於2.5和2.8之間,而維也納工業大學的科學家們已經成功開發出ZT值介於5至6之間的全新材料,這是塗在矽晶體上��一層薄薄的鐵、釩、鎢和鋁。這種新型的高效材料可能顛覆感測器電源市場,尤其是在無線感測器網路(WSN)市場。無電池解決方案的使用利於環保,感測器如果能夠從環境中自己產生能量無疑是更聰明的做法。這種新型材料研究成果發表於《自然》(Nature Journal)期刊,具有小型化和適應性強的優點。

「一種良好的熱電材料必須具備強大的塞貝克效應,而且得滿足兩個難以調和的重要需求;」 Ernst Bauer指出:「一方其導電性要盡可能高,另一方面其傳熱量要盡可能低,這是一大挑戰,因為導電率和熱導率通常密切相關聯(圖2)。」

這種新型材料具有立方體形狀的規則晶體結構,兩個鐵原子之間的距離始終相同,其他類型的原子也是如此,因此整個晶體結構是完全規則的。但在把薄薄的一層鐵舖在矽基板上時,結構就會發生了根本變化,原子會以完全隨機的分佈方式,在以空間為中心(space-centered)的結構上組合,這種分佈改變了原子的電子結構,從而決定了電子在晶體格柵(grids)內移動的路徑。

產生的電荷以特定方式移動,因此電阻值非常低。穿過材料的電荷部分被稱為外爾費米子(Weyl Fermions)。晶體結構的不規則性抑制了格柵的振動。熱導率比較低,因此可以獲得較好的熱電轉換效率。

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圖2:內含Fe2V0.8W0.2Al薄膜的整個複合材料(層、介面和基板)之溫度相關塞貝克係數(a)和電阻率(b),以及功率因數(c)和熱電優質近似值(d)。
(來源:《自然》期刊)

對這種新型材料Fe2V0.8W0.2Al的電阻率、熱導率和塞貝克效應的量測顯示,沉積在矽基板上的薄膜熱電優值非常高。用電子顯微鏡進行的實驗還發現了在Heusler薄膜和矽基板之間有一個狹窄的擴散帶(diffusion zone)。

能量採集技術為物聯網的發展和演進提供了顯著優勢,它是開發先進的獨立與行動應用之關鍵元素,可以支援IoT裝置保持長時間運作且無需為電池充電。透過降低維護和更換電池的需求,能量採集可以將智慧感測功能導入城市基礎設施中偏遠或難以到達的位置。這項新研究還為實現醫療領域的新型可穿戴裝置解決方案鋪路。而由於具備降低成本與功耗的優勢,各種研究和投資不斷增加,全球熱能收集技術市場可望進一步達到前所未有的規模。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2020年2月號

(參考原文: New Thermoelectric Material Has Huge IoT Potential,by Maurizio Di Paolo Emilio)

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