下一代电子产品将以更小、更强大的组件为特色，这需要新的冷却解决方案。为此，由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的一个团队开发了一种新的热电冷却器，它比目前的商用热电装置具有更高的冷却功率和效率。这种新的热电冷却器可能有助于控制未来大功率电子设备的热量。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的研究教授Bed Poudel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，这种新设备不仅在技术经济措施方面具有竞争力，而且优于目前领先的热电冷却模块。新一代电子产品将受益于这一发展。”

当用电时，热电冷却器将热量从电子设备的一侧传递到另一侧，从而形成一个具有冷侧和热侧的模块。通过将冷的一面放在产生热量的电子元件上，如激光二极管或微处理器，热电冷却器可以泵走多余的热量，帮助控制温度。但随着这些组件变得更强大，热电冷却器将需要泵出更多的热量。

与领先的商用设备(由碲化铋制成)相比，这种新型热电设备的冷却功率密度提高了210%，同时潜在地保持了相似的性能系数(COP)，或有效冷却与所需能量的比率。研究人员在《自然通讯》的一篇论文中报告了这种新设备。

“这解决了制造热电冷却装置的三大挑战中的两个，”明尼苏达大学(University of Minnesota)负责研究的副校长、该论文的合著者沙山克·普里亚(Shashank Priya)说。“首先，它可以提供具有高COP的高冷却功率密度。这意味着少量的电可以泵出大量的热量。其次，对于高功率激光器或需要从小区域去除大量局部热量的应用，这可以提供最佳解决方案。”

这种新设备是由半赫斯勒合金的化合物制成的，这是一类具有特殊性能的金属材料，有望用于热电设备等能源应用。这些材料具有良好的强度、热稳定性和效率。

研究人员使用了一种特殊的退火工艺，包括控制加热和冷却，这使他们能够修改和操纵材料的微观结构，以消除缺陷。这种退火工艺以前没有用于制造半赫斯勒热电材料。

退火过程也显著增加了材料的晶粒尺寸，导致更少的晶界-材料中晶体结构相遇的区域，从而降低了导电性或导热性。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系助理研究教授李文杰说:“一般来说，半赫斯勒材料具有非常小的颗粒尺寸——纳米级颗粒。”“通过这种退火工艺，我们可以控制晶粒从纳米级到微米级的生长，这是三个数量级的差异。”

减少晶界和其他缺陷大大提高了材料的载流子迁移率，或者电子如何通过它，产生更高的功率因数，这决定了最大冷却功率密度，在电子冷却应用中尤为重要。

“例如，在激光二极管的冷却中，在一个非常小的区域产生大量的热量，为了使设备的最佳性能，它必须保持在一个特定的温度，”李说，“这就是我们的技术可以应用的地方。”这对局部高热管理具有光明的前景。”

除了高功率因数外，这种新型材料在300K至873K(80-1111°F)的温度范围内产生了任何半heusler材料的最高平均性能或效率。根据研究人员的说法，这些结果显示了一种有前途的策略，可以优化半赫斯勒材料，用于近室温热电应用。

“作为一个国家，我们在芯片和科学法案上投入了大量资金，其中一个问题可能是微电子如何处理高功率密度，因为它们变得更小，运行功率更高，”Poudel说。“这项技术或许能够解决其中的一些挑战。”

原文链接：https://www.materialstoday.com/metals-alloys/news/novel-metallic-material-electronic-components/

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