纳米工程热电材料实现了可规模化、无压缩机制冷

5月21日发表于《自然·通讯》期刊的一篇论文中，来自应用物理实验室（APL）的研究团队与三星电子的制冷工程师展示了制冷系统热泵效率与容量的显著提升。这一突破归功于APL发明的高性能纳米工程热电材料——受控分级工程超晶格结构（CHESS）。

CHESS技术是APL十年先进纳米工程热电材料与应用研发的成果。该材料最初为国家安全应用而开发，现已用于假肢无创冷却疗法，并于2023年荣获R&D 100创新大奖。

联合项目首席研究员、APL热电技术总监Rama Venkatasubramanian表示："这项采用新型热电材料的实际制冷演示，展现了纳米工程CHESS薄膜的强大性能。这标志着冷却技术的重大飞跃，为将热电材料进展转化为实用、大规模、高能效制冷应用奠定了基础。"

固态冷却新基准

人口增长、城市化进程加速以及对先进电子设备与数据基础设施日益依赖等多种因素，正推动着对更高效紧凑冷却技术的需求。传统冷却系统虽有效，但通常体积庞大、能耗高，且依赖可能危害环境的化学制冷剂。

热电制冷被广泛视为潜在解决方案。该方法利用电子通过特殊半导体材料传导热量实现冷却，无需运动部件或有害化学品，使新一代制冷设备具备静音、紧凑、可靠及可持续等优势。块体热电材料虽用于迷你冰箱等小型设备，但其有限的效率、较低的热泵能力以及与可扩展半导体芯片制造工艺的兼容性问题，历来阻碍了其在高性能系统中的广泛应用。

研究团队在标准化制冷测试中，对比了采用传统块体热电材料与CHESS薄膜材料的制冷模块。他们在相同商用冰箱测试系统内，测量比较了实现不同制冷水平所需的电力消耗。三星电子材料工程师Sungjin Jung领导的制冷团队与APL合作，通过详细热建模验证结果，量化热负荷与热阻参数，确保实际工况下的精确性能评估。

结果令人瞩目：采用CHESS材料，APL团队在室温（约80华氏度，25℃）条件下实现近100%的能效提升。随后将这些材料级增益转化为：CHESS材料构建的热电模块在器件级实现近75%的能效提升，完全集成的制冷系统实现70%的能效提升。这些成果均显著超越当前最先进的块体热电设备。测试在模拟实际运行的大规模热泵条件下完成。

规模化制造设计

除提升效率外，CHESS薄膜技术的材料消耗量显著降低——每制冷单元仅需0.003立方厘米材料，约一粒沙大小。材料的精简意味着APL的热电材料可利用半导体芯片生产工具大规模制造，从而提升成本效益并推动市场普及。

Venkatasubramanian强调："这种薄膜技术具有从驱动小型制冷系统扩展到支持大型建筑暖通空调应用的潜力，其发展路径类似于锂离子电池从手机到电动汽车的规模化应用。"

此外，CHESS材料采用成熟的卫星供电系统及商用LED照明的高效太阳能电池制造工艺生产。

负责APL金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺的首席研究工程师Jon Pierce表示："我们采用MOCVD技术生产CHESS材料，该方法以可扩展性、成本效益及支持大规模制造能力著称。MOCVD已在商业领域广泛应用，是扩大CHESS薄膜热电材料生产的理想选择。"

除制冷领域突破外，这些材料与器件在能量收集和电子应用中持续展现潜力。APL计划继续与各方合作优化CHESS热电材料，重点提升效率以接近传统机械系统水平。未来工作包括演示冷冻柜等大型制冷系统，并集成人工智能驱动方法以优化分区/分布式制冷及暖通设备的能效。

APL研究与探索发展任务区勘探项目经理Jeff Maranchi指出："除制冷外，CHESS材料还能将体温等温差转化为可用电力。这不仅推动新一代触觉系统、假肢与人机接口发展，更为计算机到航天器等应用开启了可扩展能量收集技术的大门——这些能力是传统块体热电设备无法实现的。"

APL技术商业化经理Susan Ehrlich总结道："此次合作的成功证明，高效固态制冷不仅在科学上可行，更能实现规模化生产。我们期待与企业持续开展研究合作与技术转化，共同将这些创新成果推向实际应用。"