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熱回收新技術——鎢光子晶體熱能轉光簡介

2006/05/05 經濟部能源局 點閱人次: 359

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█撰文:李以霠*、林琨程、鄭景亮

具有溫度的物體會放射出紅外光,溫度越高則所放射出的紅外光的熱能也越多,如常見照明用的燈泡,不過其散發出的紅外光熱能以目前的技術而言,是無法再回收利用的。但藉由鎢光子晶體,可將紅外光熱能轉換成可見光,則對於廢熱量大的產業界或是一般家庭而言,會是另一熱回收產品新的選擇。

電子在晶體(如半導體)中受到具有週期性位能勢(Periodic Potential)的晶格產生散射的影響,其電子波動的頻譜中部分的波段會因為此散射現象形成破壞性干涉形成能隙(Energy Gap),以致於電子的色散關係(Dispersion Relation)呈現帶狀分布,此即是所謂電子的能帶結構(Electronic Band Structures)。

光子亦類似前述電子在晶格的散射行為,若在以週期性排列的三維介電材料中,光經過三維介電材料散射後,某些波段的光強度會因破壞性干涉而衰減,無法在三維介電材料內傳遞,相當於光子的波動頻譜上亦形成能隙,因此光子的色散關係也具有帶狀結構,即光子的能帶結構(Photonic Band Structures)。此具有光子能帶結構的介電物質,稱為光子晶體(Photonic Crystals)、或稱為光能隙系統(Photonic Band-gap System)。

自然的光子晶體

自西元1987年開始(由E.Yablonovitch 及S.John發現)才有光子晶體的名詞,但在礦物中早已存在光子晶體,如產於澳洲的蛋白石(Opal)寶石即是。蛋白石是由二氧化矽的奈米球(nano-sphere)沉積所形成的礦物,其外觀上繽紛的色彩是因為蛋白石內部有週期性的幾何結構排列,具有光子能帶結構,隨著能隙位置不同,反射光的顏色也跟著變化。而生物中的蝴蝶,也因其翅膀上斑斕的色彩,是鱗粉上具有週期性排列的次微米結構,會選擇性反射陽光的結果。

人造的光子晶體

在尚未有光子的三維能帶結構概念前,類似光子晶體的一維層狀介電結構已研究多時,例如光(或電磁波)在一維的層狀介電結構中產生干涉現象已應用於各種光學實驗中,做為波段選擇器、濾波器或反射鏡等。例如常見具有四分之一波長多層(quarter-wave-stack multi-layered)結構的布拉格反射鏡(Bragg Reflector),就是簡單的一維光子晶體。

目前光子晶體發展在三維結構上,光子能隙已在如面心立方(face-centered cubic)結構、體心立方(body-centered cubic)結構、或其他準晶格(quasi-crystal)的晶格結構中可觀察到;在二維結構上,如三角(Triangular)、四角(Square)、蜂巢(Honey Comb)等結構也證實具有光能隙的存在。

半導體或光電產業的應用

目前光子晶體的發展,其中的能隙特性提供侷限光或電磁波的能力,若進一步摻入雜質(Impurity)或缺陷(Defect)則提供導引光或電磁波的可能性,因此半導體產業或在光電產業極具未來應用的價值。例如利用電子做為電腦中央處理器晶片運算的載具,若能利用光子晶體特性製造出具有特定能量或特定空間的雜質態(Impurity State),類似於半導體藉由摻入雜質來調整載子性質,因此利用光子晶體可能在未來取代以電子訊號的積體電路(Integrated Circuits),形成以光子傳輸積光路(Integrated Optical Circuits)。

在光電產業的應用,例如利用雜質或缺陷設計成光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber),即對於一個雜質態由於雜質四周都是光子晶體形成的禁區,光在空間分布只能侷限在雜質附近,因此一個點缺陷(Point Defect)相當於一個微空腔(Micro-cavity),若接連數個點缺陷,則可形成線缺陷(Line Defect),光便可沿著線缺陷傳遞,則相當於導波管(Waveguide)可讓光通過或轉彎而不損失能量,即構成光纖的基本功能。

光子晶體在能源議題的新應用

光子晶體在光通訊領域是應用其在特定光頻率傳輸光束,以及在光的彎折路徑中不損失任何能量的能力為基礎。若應用在熱門的能源領域上,則聚焦於光子晶體阻絕特定頻率光通過的能力上;如附圖若改變二維或三維結構光子晶體各條型間距離或寬度,則可控制不同波長的光或電磁波通過或不通過此具有選擇性的光子晶體,目前利用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)製作具有聚合矽結構的鎢晶格(Tungsten Lattice),具有可以操作在極高溫環境,並在可見光譜範圍內具有相當寬廣的光子頻率能隙,理論已證明可將在紅外線的光頻率範圍轉換成可見光頻率,換言之,此鎢光子晶體可將紅外線能量(即熱能)轉換為可見光,開啟了熱光電效應應用的可能性,即是將具有能量發散的紅外線波長(例如傳統燈泡除發出可見光外,還放射出大量無效益的熱能,即紅外線)轉換成可見光波長,其熱光電轉換效率理論計算可高達51%,若與會完全吸收任何熱或光輻射的黑體發光體比較,其黑體轉換效率僅12.6%,因此可見在未來,極可能會有將熱能轉換成可見光的鎢光子晶體產品產出。(作者為工研院能環所副研究員*及研究員)


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