瑞典 Lund 大學教授 趙光安 博士演講紀要
趙光安Prof. Koung-An Chao
By the way, Prof. Koung-An Chao (趙光安) is visiting my department. He
told me he will stay in Taiwan in the middle of Dec. to 10th of Jan. this
year. May be he will attend our 50th anniversary of graduation from 雄中.
如何避免元件與儀器的過熱或有效率地把溫度降下來，一直是科學家或工程師努力想達到的目標。本中心於二月九日，邀請國際知名的物理學者，目前為瑞典 Lund 大學教授的趙光安博士以「熱電效應」為主題前來演講，對於如何有效解決元件或儀器的散熱問題，從趙教授的精闢演說內容中確實提供了同仁一個新的解決方向。
當輸入的能量無法作完全的轉換而輸出時，損失或消耗的部分通常轉為熱能的形式而存在。這些熱能經由元件或儀器吸收所表現於外的特徵是溫度升高而造成噪聲過大 (例如冰箱、手機) 或電性改變 (例如 MOS、BJT 元件)。目前減少發熱量的解決方法以開發低功率電子元件為主，其次是在降溫方面著重於提高散熱效率並避免累積過多的熱能。
所謂熱電效應，是指當受熱物體中的電子 (洞)，隨著溫度梯度由高溫區往低溫區移動時，所產生電流或電荷堆積的一種現象。當通過直流電時，具熱電能量轉換特性的材料將可產生致冷功能，稱之為熱電致冷。由於半導體材料具有較佳的熱電能量轉化特性，因此實用的熱電致冷裝置是由致冷效率較高的半導體材料所構成的。
致冷晶片主要由 N 型半導體和 P 型半導體組成。N 型材料有多餘的電子，呈負溫差電勢。P 型材料有多餘的電洞，呈正溫差電勢。當電子從 P 型穿過結點至 N 型時，結點溫度降低而能量增加，增加的能量相當於結點消耗的能量。相反地，當電子從 N 型流至 P 型材料時，結點溫度就會升高。
熱電現象是西元 1822 年由德國物理學家 Seebeck 在烤麵包時所察覺。當時他將指南針放置在由兩種不同導體所組成的封閉迴路旁，同時在其中的一端接點處以烤爐加熱，而見到指針出現偏轉的現象。此處磁針的偏轉是由熱生電所致，稱為 Seebeck 效應。而直流電通過兩種不同導電材料所構成的迴路時，接點上將產生吸熱或放熱的現象。這是後來由法國人 Peltier 最早發現，因此這個現象稱 Peltier 效應。接著，西元 1834 年，俄國物理學家 Lenz 又做出了更具體的實驗，他將金屬鉍線和銻線構成結點，當電流沿著某一方向流過時，結點上的水就會凝固成冰；如果反轉電流方向，在結點上凝固的冰又會溶化成水，因此該熱電效應本身是可逆的。
目前致冷器最佳效率為 5% (約為壓縮機的 1/3)，若能大幅提升效率且降低製造成本，將對家庭及工業上所使用之冷卻、發電系統產生莫大影響。然而，趙教授卻特別指出，當前國際積極研發的低維度奈米結構 (例如超晶格薄膜、奈米碳管)，雖然在特定方向之熱量傳輸具有優異的性質，而判斷材料是否具商業價值的指標：熱電優值 (ZT = S2σT/k) 亦遠大於 1，但這些材料實際可提供熱傳導的綜效截面卻不如一般塊材，因此，研究的方向應該朝較高的熱電優值塊材與特定的能階設計來解決。目前趙教授在塊材材料組成及特殊能階結構設計上已經有一定程度的掌握與突破，正積極與手機、家電等大廠 (如 Nokia、Electrolux) 洽談合作開發事宜。
奈米技術組 何鍵宏
儀科中心簡訊 73 期：中華民國 95 年 2 月 28 日出版
http://www.itrc.org.tw/Publication/Newsletter/no73/p08.php
趙光安Prof. Koung-An Chao
By the way, Prof. Koung-An Chao (趙光安) is visiting my department. He
told me he will stay in Taiwan in the middle of Dec. to 10th of Jan. this
year. May be he will attend our 50th anniversary of graduation from 雄中.
如何避免元件與儀器的過熱或有效率地把溫度降下來，一直是科學家或工程師努力想達到的目標。本中心於二月九日，邀請國際知名的物理學者，目前為瑞典 Lund 大學教授的趙光安博士以「熱電效應」為主題前來演講，對於如何有效解決元件或儀器的散熱問題，從趙教授的精闢演說內容中確實提供了同仁一個新的解決方向。
當輸入的能量無法作完全的轉換而輸出時，損失或消耗的部分通常轉為熱能的形式而存在。這些熱能經由元件或儀器吸收所表現於外的特徵是溫度升高而造成噪聲過大 (例如冰箱、手機) 或電性改變 (例如 MOS、BJT 元件)。目前減少發熱量的解決方法以開發低功率電子元件為主，其次是在降溫方面著重於提高散熱效率並避免累積過多的熱能。
所謂熱電效應，是指當受熱物體中的電子 (洞)，隨著溫度梯度由高溫區往低溫區移動時，所產生電流或電荷堆積的一種現象。當通過直流電時，具熱電能量轉換特性的材料將可產生致冷功能，稱之為熱電致冷。由於半導體材料具有較佳的熱電能量轉化特性，因此實用的熱電致冷裝置是由致冷效率較高的半導體材料所構成的。
致冷晶片主要由 N 型半導體和 P 型半導體組成。N 型材料有多餘的電子，呈負溫差電勢。P 型材料有多餘的電洞，呈正溫差電勢。當電子從 P 型穿過結點至 N 型時，結點溫度降低而能量增加，增加的能量相當於結點消耗的能量。相反地，當電子從 N 型流至 P 型材料時，結點溫度就會升高。
熱電現象是西元 1822 年由德國物理學家 Seebeck 在烤麵包時所察覺。當時他將指南針放置在由兩種不同導體所組成的封閉迴路旁，同時在其中的一端接點處以烤爐加熱，而見到指針出現偏轉的現象。此處磁針的偏轉是由熱生電所致，稱為 Seebeck 效應。而直流電通過兩種不同導電材料所構成的迴路時，接點上將產生吸熱或放熱的現象。這是後來由法國人 Peltier 最早發現，因此這個現象稱 Peltier 效應。接著，西元 1834 年，俄國物理學家 Lenz 又做出了更具體的實驗，他將金屬鉍線和銻線構成結點，當電流沿著某一方向流過時，結點上的水就會凝固成冰；如果反轉電流方向，在結點上凝固的冰又會溶化成水，因此該熱電效應本身是可逆的。
目前致冷器最佳效率為 5% (約為壓縮機的 1/3)，若能大幅提升效率且降低製造成本，將對家庭及工業上所使用之冷卻、發電系統產生莫大影響。然而，趙教授卻特別指出，當前國際積極研發的低維度奈米結構 (例如超晶格薄膜、奈米碳管)，雖然在特定方向之熱量傳輸具有優異的性質，而判斷材料是否具商業價值的指標：熱電優值 (ZT = S2σT/k) 亦遠大於 1，但這些材料實際可提供熱傳導的綜效截面卻不如一般塊材，因此，研究的方向應該朝較高的熱電優值塊材與特定的能階設計來解決。目前趙教授在塊材材料組成及特殊能階結構設計上已經有一定程度的掌握與突破，正積極與手機、家電等大廠 (如 Nokia、Electrolux) 洽談合作開發事宜。
奈米技術組 何鍵宏
儀科中心簡訊 73 期：中華民國 95 年 2 月 28 日出版
http://www.itrc.org.tw/Publication/Newsletter/no73/p08.php
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