約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室 （APL） 和三星電子的研究人員開發(fā)了一種固態(tài)熱電冷卻材料，該材料可以使用半導(dǎo)體工藝技術(shù)進(jìn)行批量構(gòu)建。

受控分層工程超晶格結(jié)構(gòu) （CHESS） 的效率是用市售的體熱電材料制成的用于冷卻電子設(shè)備的器件的兩倍。CHESS 技術(shù)是 APL 十年研究的成果，最初用于美國 DAPRA 計(jì)劃的國家安全應(yīng)用，但它也被用于為假肢提供涼爽的感覺。

“這個(gè)使用新型熱電材料的制冷真實(shí)世界演示展示了納米工程 CHESS 薄膜的能力，”聯(lián)合項(xiàng)目首席研究員兼 APL 熱電技術(shù)專家 Rama Venkatasubramanian 說?！八鼧?biāo)志著冷卻技術(shù)的重大飛躍，并為將熱電材料的進(jìn)步轉(zhuǎn)化為實(shí)用、大規(guī)模、節(jié)能的制冷應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

它通過使用電子將熱量通過專門的半導(dǎo)體材料進(jìn)行冷卻，無需移動(dòng)部件或具有挑戰(zhàn)性的冷卻劑液體。

“我們使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 （MOCVD） 來生產(chǎn) CHESS 材料，這種方法以其可擴(kuò)展性、成本效益和支持大批量制造的能力而聞名，”領(lǐng)導(dǎo) APL MOCVD 增長能力的高級(jí)研究工程師 Jon Pierce 說?！癕OCVD 已經(jīng)在商業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，使其成為擴(kuò)大 CHESS 薄膜熱電材料生產(chǎn)規(guī)模的理想選擇。”

然后，研究人員在標(biāo)準(zhǔn)化制冷測(cè)試中使用傳統(tǒng)體熱電材料的制冷模塊與使用 CHESS 薄膜材料的制冷模塊進(jìn)行了比較，測(cè)量和比較了在同一商用冰箱測(cè)試系統(tǒng)中達(dá)到不同冷卻水平所需的電功率。

三星電子的制冷團(tuán)隊(duì)在材料工程師 Sungjin Jung 的領(lǐng)導(dǎo)下，與 APL 合作，通過詳細(xì)的熱建模來驗(yàn)證結(jié)果，量化熱負(fù)荷和熱阻參數(shù)，以確保在實(shí)際條件下進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評(píng)估。

使用 CHESS 材料，APL 團(tuán)隊(duì)在室溫下的效率比傳統(tǒng)熱電材料提高了近 100%。這意味著熱電模塊的設(shè)備級(jí)效率提高了近 75%，完全集成的制冷系統(tǒng)的效率提高了 70%。

Venkatasubramanian 說：“這種薄膜技術(shù)有可能從為小型制冷系統(tǒng)提供動(dòng)力發(fā)展到支持大型建筑 HVAC 應(yīng)用，類似于鋰離子電池被擴(kuò)展到為小如手機(jī)和大如電動(dòng)汽車的設(shè)備供電的方式。

這些材料和設(shè)備在冷藏領(lǐng)域除了近期的進(jìn)展，聚能和電子設(shè)備都有廣泛應(yīng)用的前景。APL計(jì)劃將CHESS熱電材料進(jìn)行精細(xì)化，以便與組織繼續(xù)合作，提高效率。今后的努力包括展示大規(guī)模制冷系統(tǒng)，包括在人工智能制冷和HVAC設(shè)備中分化或分布式制冷設(shè)備的能效優(yōu)化。

“除了制冷之外，CHESS 材料還能夠?qū)夭睿ㄈ珞w熱）轉(zhuǎn)化為可用電力，”APL 研究和探索開發(fā)任務(wù)區(qū)勘探計(jì)劃區(qū)域經(jīng)理 Jeff Maranchi 說。“除了推進(jìn)下一代觸覺系統(tǒng)、假肢和人機(jī)界面外，這還為從計(jì)算機(jī)到航天器的各種應(yīng)用打開了可擴(kuò)展的能量收集技術(shù)的大門——這些冷卻能力在舊的、笨重的熱電設(shè)備中是不可行的?！?/p>

“這項(xiàng)合作的成功表明，高效固態(tài)制冷不僅在科學(xué)上可行，而且可以大規(guī)模制造，”APL 技術(shù)商業(yè)化經(jīng)理 Susan Ehrlich 說?！拔覀兤诖c公司繼續(xù)進(jìn)行研究和技術(shù)轉(zhuǎn)讓的機(jī)會(huì)，因?yàn)槲覀冋谂⑦@些創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。”