臺大團隊發現前所未見的波動型熱傳導現象 發表國際頂尖期刊《Nature Nanotechnology》

人類使用熱能的歷史由來已久，從工業時代的蒸汽機到今天全世界超過90%的電能都是由熱能轉換而來便是最明顯的例子。可惜在物理學中，人類對熱的理解卻是最緩慢的。臺大凝態研究中心研究團隊即將在七月於國際頂尖期刊《Nature Nanotechnology》發表論文，首度發現了一種前所未見的無損耗、無碰撞的波動型熱傳導現象，不但將改寫傳統教科書中的熱傳導模型，同時對未來熱電材料的研發和熱能的運用均將有關鍵性的影響。

臺大凝態中心張之威助理研究員指出，由於一般的熱傳導過程中，會發生無數次的分子碰撞，導致熱傳導本身的波動性質被毀壞，也造成熱能也難以如同電子、光纖那樣用來傳遞訊息。臺大凝態中心研究團隊首度突破這個困境，他們在室溫下以及尋常的矽鍺半導體中，發現了前所未見的無損耗、無碰撞的波動型熱傳導現象，此一研究對於未來的超高頻電子元件、半導體製成、熱傳導的基礎知識、還有熱電材料等能源研究將有非常深刻的影響。

這位年輕的物理學博士表示：此一發現可說是出乎意料之外。「矽鍺半導體」雖然是一種應用很普遍的材料，但是也是很差的導熱材料，幾乎沒有人會在這個材料上尋找熱傳導的波動現象。實際上，如果要尋找熱傳導的波動現象，大部分專家會建議從鑽石、石墨烯、或奈米碳管這些導熱很好的特殊材料中著手，然後用很昂貴的儀器把樣品降到超低溫做實驗。

臺大團隊突破性的成果即在於，在一般室溫下的矽鍺半導體中，即可觀察到。而且熱能經過「矽鍺奈米線」時，其中的波動性熱傳導現象能保持8微米長，這個數字比教科書的認知大了一千倍，也比鑽石或石墨烯還長了十倍以上，顯示出熱能傳輸的無損耗、無碰撞的波動現象，令科學家驚豔。

張之威助理研究員解釋：這是因為在矽鍺半導體本身的合金特性，會禁止高頻的熱能在奈米線上傳輸，而只允許極低頻的熱能在奈米線中跑，讓其扮演著類似高速公路閘道管制的功能； 「有點類似只允許載滿50人以上的客運在高速公路上跑，使得高速公路上幾乎沒有車，也不會發生碰撞。」

此一發現的珍貴價值在於，此波動型熱傳導現象表示熱能可以不受任何碰撞地如聲波般在矽鍺半導體中傳播，因而不產生任何損耗，而且還能保持它的量子力學性質。更重要的是，此現象是在室溫而非在低溫中發現，而且是在一個半導體產業界已經有大量應用的矽鍺半導體中發現。因此，未來推廣應用的潛力非常大。

在此實驗中，臺大團隊也證明了矽鍺奈米線串連起來時，其總熱阻遵守一種奇妙的加法：1+1=1和 1+2=2。這些新發現將使得電磁學或波動光學的知識技術可以應用到波動熱傳導上，未來將可能導致熱波導管、兆赫波聲子晶體、與熱電材料的新發明。

由於這個研究發現突破了現有的熱傳導知識，該論文發表在七月的國際頂尖期刊Nature Nanotechnology中，研究團隊包括：臺大凝態中心張之威助理研究員主持的熱傳導研究團隊、朱明文副研究員的電子顯微鏡團隊、和剛剛卸任的前臺大校長李嗣涔教授的研究團隊。

楊泮池校長指出，這個實驗的成功也要歸功於臺大整合一流研究團隊的努力。臺大凝態中心一流的熱傳導研究團隊與世界一流的電子顯微鏡團隊密切合作，讓所有的工作都能迅速進行，並對實驗分析有最透徹的了解。楊校長並特別介紹，大部分的實驗工作是由一位臺大應用物理所的碩士生：蕭子綱所獨立完成的。「這證明了臺大學生都具有十足的潛力，僅僅一位碩士班學生的表現就比世界一流大學的博士生還亮麗。」

研究團隊並表示，這個研究工作的完成，還要特別感謝國科會、教育部五年五百億、與中研院永續科學計畫的支持。

臺大碩士蕭子綱埋首實驗　苦心有成

臺大凝態中心研究團隊發現異常的波狀熱傳導現象，經國際期刊《Nature Nanotechnology》刊載，已獲得物理學界與工程學界重視。此一研究數據發現不易，其實是臺大應用物理所碩士生蕭子綱在實驗室耐心操作近一年半，才讓研究團隊得以發現新現象。即將於九月赴英國劍橋大學攻讀博士的蕭子綱表示，當他的指導教授張之威從實驗數據中看到此一新現象時，他先是非常驚訝，後來才確認這個不尋常的發現，真的非常高興。

現任為研究助理的蕭子綱畢業於臺大應用物理所，參與臺大凝態中心的「奈米物理實驗室」已有三年，奈米物理實驗室負責人即為凝態中心助理研究員張之威。蕭子綱長期待在實驗室裡，通常從下午工作到晚上，有時甚至工作到半夜。為了了解研究的進展，張之威每天都會多次到實驗室和包括蕭子綱在內的成員討論，這也讓蕭子綱充分明白「一步一腳印」的實驗精神。

為了了解矽鍺奈米線這個重要的半導體元件的熱傳導特性，首先得在實驗室量測一根根的奈米線。蕭子綱解釋說，他在實驗室裡，得利用一根金屬細針，小心翼翼地靠近平板上的樣本，樣本上則有數萬條矽鍺奈米線。蕭子綱得設法把針靠近其中一根矽鍺奈米線，並讓它們碰在一起，然後再用很小的膠水把針和線連在一起，轉移到量測裝置上後才能偵測熱的傳導現象。

蕭子綱說，做這個實驗要很細心，很容易失敗，他已無法計算失敗率。最難的部分就在於把矽鍺奈米線抓出來，常常抓住一根就要花一個下午，甚至更久的時間。他總共花了一年多的時間，估計成功抓出近一百條。

蕭子綱說，一開始他一直搞不清楚實驗數據的矛盾之處，非常苦惱，也多次和老師張之威討論。後來張之威從蕭子綱的實驗數據中發現此一明顯的直線趨勢時，蕭子綱先是不敢置信，後來確定後非常高興，直說：「老師真的很厲害」。

蕭子綱提到，過去大家都認為傳熱是因不停的擴散作用形成，這是因為在傳導過程中太容易發生碰撞，才無法看到波動的熱傳導現象。此次經由實驗已可確定在矽鍺奈米線中，可以看到波一樣的傳導現象，實在令他們非常興奮。蕭子綱希望此一發現有助於未來的奈米製程，並希望能利用矽鍺波動的特性，進行更多的應用。

由於理工論文會將負責實驗的人作為第一作者，因而蕭子綱的名字掛在臺大多名資深學者之前，以肯定他的貢獻。臺大楊泮池校長也稱讚他：「臺大一名碩士生的表現，比世界一流大學的博士生還亮麗。」蕭子綱今年九月即將赴劍橋大學繼續攻讀博士。