Новости

Jun 21, 2023

Новый максимум

Изображение штата Пенсильвания: материалы полу-Гейслера могут обеспечить повышение удельной мощности охлаждения термоэлектрических устройств и стать решением для охлаждения нового поколения мощной электроники. посмотреть больше

Пенн Стейт

Изображение: Материалы полуГейслера могут обеспечить повышение удельной мощности охлаждения термоэлектрических устройств и стать решением для охлаждения следующего поколения мощной электроники.посмотреть больше

Фото: любезно предоставлено Вэньцзе Ли.

УНИВЕРСИТИ-ПАРК, Пенсильвания — Электроника следующего поколения будет включать более мелкие и мощные компоненты, требующие новых решений для охлаждения. Новый термоэлектрический охладитель, разработанный учеными из штата Пенсильвания, значительно повышает мощность и эффективность охлаждения по сравнению с нынешними коммерческими термоэлектрическими устройствами и может помочь контролировать нагрев в будущей мощной электронике, говорят исследователи.

«Наш новый материал может обеспечить термоэлектрические устройства с очень высокой плотностью охлаждающей мощности», — сказал Бед Пудель, профессор-исследователь кафедры материаловедения и инженерии Пенсильванского университета. «Нам удалось продемонстрировать, что это новое устройство может не только быть конкурентоспособным с точки зрения технико-экономических показателей, но и превосходить нынешние ведущие термоэлектрические модули охлаждения. Новое поколение электроники выиграет от этого развития».

Термоэлектрические охладители передают тепло с одной стороны устройства на другую при подаче электричества, создавая модуль с холодной и горячей сторонами. Размещение холодной стороны на электронных компонентах, генерирующих тепло, таких как лазерные диоды или микропроцессоры, может откачать избыточное тепло и помочь контролировать температуру. Но по мере того, как эти компоненты станут более мощными, термоэлектрическим охладителям также потребуется перекачивать больше тепла, говорят ученые.

Новое термоэлектрическое устройство продемонстрировало увеличение плотности охлаждающей мощности на 210% по сравнению с ведущим коммерческим устройством, изготовленным из теллурида висмута, при этом потенциально сохраняя аналогичный коэффициент полезного действия (COP) или соотношение полезного охлаждения к требуемой энергии, сообщили ученые. в области природных коммуникаций.

«Это решает две из трех серьезных проблем при создании термоэлектрических охлаждающих устройств», — сказал Шашанк Прия, вице-президент по исследованиям Университета Миннесоты и соавтор статьи. «Во-первых, он может обеспечить высокую плотность охлаждающей мощности с высоким коэффициентом полезного действия. Это означает, что небольшое количество электроэнергии может перекачивать много тепла. Во-вторых, для мощных лазеров или приложений, требующих отвода большого количества локализованного тепла с небольшой площади, это может стать оптимальным решением».

Новое устройство изготовлено из соединения полусплавов Гейслера — класса материалов с особыми свойствами, которые перспективны для энергетических применений, таких как термоэлектрические устройства. Эти материалы обладают хорошей прочностью, термической стабильностью и эффективностью.

Исследователи использовали специальный процесс отжига, который касается нагрева и охлаждения материалов, что позволило им модифицировать и манипулировать микроструктурой материала для удаления дефектов. По словам ученых, ранее он не использовался для изготовления полугейслеровых термоэлектрических материалов.

Процесс отжига также значительно увеличил размер зерна материала, что привело к уменьшению количества границ зерен — областей в материале, где встречаются кристаллитные структуры и которые снижают электропроводность или теплопроводность.

«В целом материал полу-Гейслера имеет очень маленький размер зерна — наноразмерное зерно», — сказал Вэньцзе Ли, доцент кафедры материаловедения и инженерии Пенсильванского университета. «Благодаря этому процессу отжига мы можем контролировать рост зерен от наномасштаба до микромасштаба — разница в три порядка».

Уменьшение границ зерен и других дефектов существенно улучшило подвижность носителей материала или то, как электроны могут перемещаться через него, что привело к более высокому коэффициенту мощности, говорят ученые. Коэффициент мощности определяет максимальную плотность охлаждающей мощности и особенно важен в приложениях для охлаждения электроники.

«Например, при охлаждении лазерных диодов значительное количество тепла генерируется на очень маленькой площади, и для оптимальной работы устройства его необходимо поддерживать при определенной температуре», — сказал Ли, — «Именно здесь наша технология может быть использована». применяемый. Это имеет блестящее будущее для местного управления высокими температурными режимами».