纳米工程热电材料实现可扩展的无压缩机冷却

5月21日发表在《自然通讯》上的一篇论文中，APL的研究人员团队与三星电子的制冷工程师展示了制冷系统中热泵效率和容量的提升，这归因于APL发明的高性能纳米工程热电材料，称为受控分层工程超晶格结构（CHESS）。

CHESS技术是APL十年来在先进纳米工程热电材料及应用开发方面研究的成果。该材料最初为国家安全应用而开发，后来也用于假肢的无创冷却疗法，并于2023年获得R&D 100大奖。

"这项利用新型热电材料进行制冷的实际演示，展现了纳米工程CHESS薄膜的能力，"该联合项目首席研究员、APL热电首席技术专家Rama Venkatasubramanian表示。"它标志着冷却技术的重大飞跃，并为将热电材料进展转化为实用、大规模、高能效的制冷应用奠定了基础。"

固态冷却的新基准

多种因素推动了对更高效、更紧凑冷却技术的需求，包括人口增长、城市化以及对先进电子设备和数据基础设施日益增长的依赖。传统冷却系统虽然有效，但通常体积庞大、能耗高，且依赖可能对环境有害的化学制冷剂。

热电制冷被广泛视为一种潜在的解决方案。该方法利用电子通过特殊半导体材料移动热量来实现冷却，无需运动部件或有害化学物质，使得这些下一代冰箱安静、紧凑、可靠且可持续。块体热电材料用于小型设备（如迷你冰箱），但其有限的效率、低热泵能力以及与可扩展半导体芯片制造的不兼容性，历来阻碍了它们在高性能系统中的更广泛应用。

在研究中，研究人员在标准化制冷测试中比较了使用传统块体热电材料和使用CHESS薄膜材料的制冷模块，测量并比较了在同一商用冰箱测试系统中实现不同冷却水平所需的电力。由材料工程师Sungjin Jung领导的三星电子制冷团队与APL合作，通过详细的热模型验证结果，量化热负荷和热阻参数，以确保在实际条件下的性能评估准确。

结果引人注目：使用CHESS材料，APL团队在室温（约80华氏度，即25℃）下实现了比传统热电材料近100%的效率提升。随后，他们将这些材料层面的增益转化为采用CHESS材料构建的热电模块在器件层面近75%的效率提升，以及在全集成制冷系统中70%的效率提升，每一项均代表了对最先进块体热电设备的显著改进。这些测试是在涉及大量热泵送以模拟实际运行的条件下完成的。

为规模化而构建

除了提高效率外，CHESS薄膜技术使用的材料显著减少——每制冷单元仅需0.003立方厘米，约沙粒大小。材料的减少意味着APL的热电材料可以利用半导体芯片生产工具进行大规模生产，从而提高成本效益并实现广泛的市场应用。

"这种薄膜技术有潜力从小型制冷系统发展到支持大型建筑暖通空调应用，类似于锂离子电池已扩展至为小到手机、大到电动汽车的设备供电的方式，"Venkatasubramanian说。

此外，CHESS材料是使用一种成熟的工艺制造的，该工艺通常用于制造为卫星和商用LED灯供电的高效太阳能电池。

"我们使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）来生产CHESS材料，这种方法以其可扩展性、成本效益和支持大规模生产的能力而闻名，"领导APL内MOCVD生长能力的高级研究工程师Jon Pierce说。"MOCVD已在商业上广泛应用，这使其成为扩大CHESS薄膜热电材料生产的理想选择。"

除了在制冷领域的最新进展外，这些材料和器件在广泛的能量收集和电子应用领域持续展现出前景。APL计划继续与各组织合作改进CHESS热电材料，重点提升效率以接近传统机械系统的水平。未来的工作包括演示更大规模的制冷系统（包括冷冻柜），以及整合人工智能驱动的方法来优化制冷和暖通空调设备中分区或分布式冷却的能效。

"除了制冷，CHESS材料还能将温差（如体热）转化为可用电力，"APL研究与探索发展任务领域的探索计划领域经理Jeff Maranchi说。"这不仅推动下一代触觉系统、假肢和人机界面的发展，还为从计算机到航天器等各种应用的可扩展能量收集技术打开了大门——这些能力是旧式块体热电设备无法实现的。"

"这项合作努力的成功证明，高效固态制冷不仅在科学上可行，而且可大规模制造，"APL技术商业化经理Susan Ehrlich说。"我们期待与企业持续合作研究和进行技术转让，努力将这些创新转化为实用的现实应用。"