宾夕法尼亚州立大学的研究人员已经创造出一种热电制冷器，其显著提高了未来高功率电子设备的冷却能力和效率。该设备采用了半氦化物合金和独特的退火工艺，以获得更高的冷却功率密度和载流子迁移率。

革命性的热电制冷器为下一代电子设备

下一代电子设备的开发将包括更小但更强大的组件，因此需要创新的冷却解决方案。宾夕法尼亚州立大学科学家设计的一种全新的热电制冷器与现有商用热电装置相比，显著提高了冷却能力和效率。研究人员认为，这一发展对于管理即将出现的高功率电子设备中的热量至关重要。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的研究教授贝德·普德尔对该设备未来的应用抱有乐观态度。他说：“我们的新材料可以为热电设备提供非常高的冷却功率密度。我们能够证明，这种新装置不仅在技术经济措施方面具有竞争力，而且胜过目前领先的热电制冷模块。新一代电子设备将会从这一发展中受益。”

热电制冷器：机制与挑战

热电制冷器通过施加电流将热量从装置的一侧传输到另一侧来实现工作。这个过程使得模块的一侧明显变得冷，另一侧变得热。通过将冷侧放置在产生热量的电子元件上，如激光二极管或微处理器上，多余的热量可以被泵走，有效地控制温度。然而，随着这些元件的不断增强，热电制冷器也需要排出更多的热量。

新开发的热电装置在冷却功率密度方面比以铋碲化物构造的主流商业装置提高了210％。此外，据《自然通讯》杂志报道，它还可能保持类似的性能系数（COP），即有用冷却与所需能量的比率。

应对热电冷却挑战

明尼苏达大学研究副校长Shashank Priya是该论文的合著者，他对新装置的能力进行了说明。他说：“这解决了制造热电冷却装置的三个重大挑战中的两个。首先，它可以提供高冷却功率密度和高COP。这意味着少量电能可以泵出大量热量。其次，对于需要从一个小区域移除大量局部热量的高功率激光或其他应用，这可以提供最佳解决方案。”

新装置中的创新Heusler材料

这种新型装置是使用一种半Heusler合金化合物构造而成的，它属于一种具有特殊性能的材料类别，对热电装置等能源应用有潜在的应用价值。这些材料具有较高的强度、热稳定性和效率。

研究人员采用特殊的退火工艺，即改变材料加热和冷却的方式，使得他们可以改变和调节材料的微结构，消除缺陷。这种方法以前从未用于制造半Heusler热电材料。

退火过程及其影响

退火过程还大幅增加了材料的晶粒尺寸，从而减少了晶粒界面（材料中晶粒结构相遇的区域），从而降低了电导率或热导率。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的助理研究教授Wenjie Li描述了这种转变：“一般来说，半Heusler材料的晶粒尺寸非常小，纳米级晶粒。通过这种退火过程，我们可以将晶粒尺寸从纳米级增长到微米级，相差了三个数量级。”

减少晶粒界面和其他缺陷显著提高了材料的载流子迁移率，影响电子在其中的移动方式，从而产生了更高的功率因数。功率因数在电子冷却应用中尤为重要，因为它决定了最大冷却功率密度。

高热管理应用和未来影响

Li进一步解释了这一进展的相关性，他说：“例如，在激光二极管冷却中，一个非常小的区域会产生大量热量，必须保持在特定的温度下以实现设备的最佳性能。这就是我们技术的应用场景。这对于局部高热管理有着光明的未来。”

除了具有高功率因数外，这些材料在300到873开尔文（80到1111华氏度）温度范围内的平均优势值指标（效率）是所有半Heusler材料中最高的。这表明了将半Heusler材料优化用于接近室温的热电应用的一个有前景的策略。

“作为一个国家，我们正在为CHIPS和科学计划投资很多资金，而一个问题可能是随着尺寸越来越小和功率越来越高，微电子如何处理高功率密度的问题，”Poudel说。“该技术可能能够应对其中的一些挑战。”