美国团队创造新型芯片冷却器

与Bi2Te3器件相比，Half-Heusler热电器件的冷却功率密度提高了210%

与目前的商用热电部件相比，宾夕法尼亚州立大学科学家开发的新型热电冷却器大大提高了冷却功率和冷却效率，并可能有助于控制未来高功率电子产品的热量。

研究成果发表在《Nature Communications》上，名为“Half-Heusler合金作为新兴高功率密度热电冷却材料”。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系研究教授Bed Poudel表示：“我们的新材料可以使热电器件拥有非常高的冷却功率密度。我们能够证明，这种新器件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。”

通电时，热电冷却器将热量从器件的一侧转移到另一侧，形成具有冷侧和热侧的模块。将冷侧置于产热的电子元件上，例如激光二极管或微处理器，可以泵出多余的热量，有助于控制温度。但科学家们表示，随着这些元件性能变强，热电冷却器也需要泵送更多热量。

该研究采用Sb压力控制退火工艺，调节Nb0.55Ta0.40Ti0.05FeSb化合物的微观结构和点缺陷，从而使载流子迁移率提高100％，最大功率因数达到78 μW cm−1K−2，与NbFeSb单晶的理论预测相近。

科学家报告称，与Bi2Te3制成的领先商用器件相比，新型热电器件的冷却功率密度提高了210%，而两者的性能系数(COP)，即有用冷却与所需能量的比率，可能仍然相似。

明尼苏达大学研究副校长兼论文合著者Shashank Priya说，“制造热电冷却器件面临三大挑战，而此研究解决了其中两个。首先，新型热电器件的冷却功率密度和COP都较高。意味着少量的电力可以泵出大量的热量。其次，对于高功率激光，或需要从小区域去除大量局部热量的应用，新型热电器件可以提供最佳解决方案。”

新器件由半Heusler合金的化合物制成，这类材料具有特殊性能，在热电器件等能源应用中具有广阔前景。这类材料强度大、热稳定性强、效率高。

研究人员使用了特殊的退火工艺，可对材料的微观结构进行修改和操纵，以消除缺陷。科学家们表示，这种工艺从未用于制造半Heusler热电材料。退火工艺还显着增大了材料的晶粒度，从而减少了晶界。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系助理研究教授Wenjie Li说，“一般来说，半Heusler材料的晶粒度非常小，是纳米级晶粒。通过该退火工艺，我们可以控制晶粒从纳米尺度生长到微米尺度，中间相差了三个数量级。”

科学家们表示，减少晶界和其他缺陷大大提高了材料的载流子迁移率，从而使功率因数更高。功率因数决定最大冷却功率密度，在电子产品冷却应用中尤其重要。

Wenjie Li说，“例如，在激光二极管冷却中，非常小的区域内会产生大量热量，为发挥这一器件的最佳性能，必须将该器件保持在特定温度。对我们的技术而言，这就是可应用之处。在局部高热管理方面，我们的技术有着光明的前景。”

除高功率因数外，在300至873开氏度（80至1111华氏度）温度范围内的任何半Heusler材料中，所生产材料据称平均品质因数或效率都最高。科学家们表示，这些结果表明，新材料是一种有前途的策略，可对近室温热电应用的半Heusler材料进行优化。

Poudel说：“我们国家在CHIPS和Science Act上投入了大量资金，可能存在一个问题，即随着微电子产品尺寸缩小，运行功率提高，这些产品如何能应对高功率密度。这项技术或许能够解决其中一些挑战。”

该项目的研究人员获得了美国国防部高级研究计划局、海军研究办公室、美国能源部、国家科学基金会和陆军小型企业研究项目的资助。