用二氧化鈰打造超高性能熱開關：北海道大學的新突破 - HonWay Materials

在電子設備、節能科技與新型顯示技術的發展中，「如何控制熱量」已成為重要課題。近年備受關注的熱電晶體，也就是俗稱的「熱開關」，提供了一種以電訊號調節熱流的新方法。北海道大學研究團隊近期宣布，他們成功利用普通而廉價的二氧化鈰，製作出性能遠超以往的全固態熱開關，使熱管理技術向實用化大大邁進。

廉價材料的大逆襲：二氧化鈰的潛力被重新發現

過去的高性能熱開關通常依賴鈷或鎳等稀有金屬作為活性層，這些金屬同時被大量使用於鋰電池中，隨著需求飆升面臨資源壓力。北海道大學此次的創新之處，在於捨棄稀有金屬，改用平價且地球儲量豐富的二氧化鈰。這種材料其實就是玻璃產業中大量使用的拋光粉，取得容易、成本低廉，卻在熱控制領域展現出令人意外的高潛力。

研究團隊由博士後研究員約翰·阿倫、教授大田弘道，以及研究生吉村光夫組成。他們成功證明，即使使用如此常見的材料，也能做出效能超越先前技術的高階熱控元件。

研究團隊將二氧化鈰作為活性層製成全固態熱開關後，在空氣中加熱到 280°C，再透過電訊號改變材料的電化學狀態，以達到切換熱傳導率的效果。當材料處於還原狀態時，它的熱傳導率顯著降低，而在氧化狀態時，熱量傳導則大幅提升。

最還原狀態的熱傳導率約為 2.2 W/mK，而在氧化狀態則達到 12.5 W/mK。開啟與關閉之間的熱傳導率差距相當驚人，切換範圍高達 10.3 W/mK，約為既有使用 SrCoOx 或 LaNiOx 薄膜熱開關的兩倍，並且運作穩定可靠。

這種性能上的突破意味著熱開關能更加靈敏且有效率，在各式熱管理應用中都能大幅提升功能性。

這項成果不僅是材料上的突破，也是熱管理科技實用化的重要里程碑。能夠以電方式切換熱導率的技術，未來可望被運用在熱顯示器上，透過不同的熱對比呈現影像或資訊，開啟不同於傳統螢幕的顯示方式。此外，在智慧散熱、廢熱利用或下一代熱邏輯元件中，這種高性能熱開關也將扮演關鍵角色。

北海道大學研究團隊表示，他們早在 2023 年和 2024 年就研發出兩代全固態熱開關，但它們仍需使用稀有金屬材料。本次透過二氧化鈰取得的成果，象徵著熱開關技術正式從「實驗可行」邁向「可量產、可普及」，大幅拉近其實際應用的距離。

這項研究已於 2025 年 1 月 2 日發表在《科學進展》（Science Advances）期刊上，並同步提出專利申請。研究團隊接下來將致力於改變材料的微細結構，以進一步提升導熱切換性能，同時也將著手製作熱顯示器的原型，讓這項技術真正走向日常應用。

北海道大學的研究成功證明，尖端科技不一定得依賴昂貴或稀缺的材料。地球上儲量充足、甚至常被視為普通工業材料的二氧化鈰，也能透過巧妙設計成為突破性的高性能熱開關核心。這項成果不僅提升了熱管理元件的效率，也加速了技術從實驗室走向實際應用的速度，預期將在節能、顯示、電子設備與未來的熱控制領域帶來深遠影響。

參考資料:

(首圖來源:北海道大學)

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