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研究表明，熱電技術可實現熱能和電能之間的直接和可逆轉換，包括廢熱回收和固態冷卻。與發電相比，由于Peltier effect，熱電冷卻在精確控溫、響應速度快、尺寸可控等方面具有應用優勢。由于它主要用于溫差較小的環境溫度周圍，因此在大溫差下器件故障的問題不再是問題。

除了用于民用和工業領域外，熱電冷卻在5G通信和電子設備等關鍵領域的精確溫度控制中也發揮著重要作用。高度集成化、小型化的通信技術和電路系統的發展以及對低功耗的迫切需求，對熱電冷卻的發展提出了更高的要求。

在此，北京航空航天大學趙立東教授等以“Moving fast makes for better cooling”為題在Science上發表觀點性文章，作者認為從材料的角度來看，熱電冷卻技術需要接近室溫的高效性能。

熱電效率可以用無量綱品質因數ZT值表示，定義為ZT=S²σT/（κ_ele+κ_lat），其中?S，σ，T，κ_ele和κ_lat分別是塞貝克系數（熱功率）、電導率、絕對溫度以及電子和晶格熱導率。熱電冷卻的關鍵參數，包括最大溫差（ΔT.max）和性能系數（COP）在很大程度上取決于ZT值。遵循 E_g=6~10?k_BT的的選擇規則。

然而，Bi₂Te₃的冷卻性能停滯，力學性能差導致的加工產率低，以及低Te儲量導致的資源消耗問題正在增加，這促使人們發現Bi的潛在替代品。因此，探索更多更好的熱電冷卻器對于全球對高性能電子設備發展的新興需求至關重要。

發現不同的熱電冷卻器主要集中在改善具有固有低導熱性的材料的電傳輸性能，這些進展具有重要的科學價值，但實際應用需要性能優化和可靠性驗證。開發更好的冷卻器的關鍵和第一個前提是提高室溫附近的熱電性能。在這個臨界溫度區域附近，熱電傳輸更多地由電荷載流子散射而不是聲子散射主導。

因此，專注于優化載流子遷移率（μ）對于增強電傳輸特性至關重要。以SnSe為例，與多晶相比，單晶SnSe在室溫附近表現出超高導電性和金屬傳導行為，在載流子濃度和塞貝克系數水平相似的情況下，顯示出在室溫附近更好的熱電冷卻能力的巨大潛力。

除了探索全新系統上的熱電冷卻性能外，作者認為，通過提高載流子移動性的基本策略，提升更傳統的熱電材料的冷卻能力非常重要。在大多數傳統系統中，在~10¹⁹到10²¹ cm^-3的優化載流子濃度范圍內，電傳輸也受到載流子-載流子散射的強烈影響。較少的載流子通常對應于較高的載流子遷移率，較低的載流子濃度通常伴隨著較大的塞貝克系數，這有望促進更好的熱電性能。為了避免額外的缺陷散射，同時通過誘導原子取代的額外點缺陷來降低載流子濃度，建議使用成分控制策略。在此基礎上，調節內在缺陷的另一種方法是調整制備和合成程序，稱之為過程控制。

從本質上講，多晶的最高合成溫度和退火過程以及晶體的冷卻速率，對固有缺陷的數量和類型都有重大影響，這些缺陷可以作為n型的供體或p型的受體被激活。因此，將組合物與過程控制相結合，本文提出的這種網格設計策略有望通過調節固有缺陷來降低載流子濃度，從而實現超高的載流子遷移率和熱電性能，特別是在接近室溫時。因此，本文期望通過相似的成分實現p型和n型的最佳性能，這將為開發更好的熱電冷卻器奠定堅實的基礎，特別是在熱電設備設置過程中與接觸材料的完美兼容性。

圖1. 改善熱電冷卻

遵循這種組合過程控制的網格設計策略以能夠載體的流動性，在更多的熱電系統中可以期待更好的冷卻性能。此外，重新審視更傳統的熱電材料，如PbTe或PbSe，可能具有更大的戰略意義，因為我們重新思考并為熱電冷卻的發展開辟了一個不同的時代。此外，載波遷移率優化伴隨著導電性的改善，從而實現更低的功耗，這對于熱電冷卻設備的實際應用至關重要，特別是在5G通信領域。

Bingchao Qin, Li-Dong Zhao, Moving fast makes for better cooling, 2022, Science,

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9645

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