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研究表明，熱電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熱能和電能之間的直接和可逆轉(zhuǎn)換，包括廢熱回收和固態(tài)冷卻。與發(fā)電相比，由于Peltier effect，熱電冷卻在精確控溫、響應(yīng)速度快、尺寸可控等方面具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。由于它主要用于溫差較小的環(huán)境溫度周?chē)虼嗽诖鬁夭钕缕骷收系膯?wèn)題不再是問(wèn)題。

除了用于民用和工業(yè)領(lǐng)域外，熱電冷卻在5G通信和電子設(shè)備等關(guān)鍵領(lǐng)域的精確溫度控制中也發(fā)揮著重要作用。高度集成化、小型化的通信技術(shù)和電路系統(tǒng)的發(fā)展以及對(duì)低功耗的迫切需求，對(duì)熱電冷卻的發(fā)展提出了更高的要求。

在此，北京航空航天大學(xué)趙立東教授等以“Moving fast makes for better cooling”為題在Science上發(fā)表觀點(diǎn)性文章，作者認(rèn)為從材料的角度來(lái)看，熱電冷卻技術(shù)需要接近室溫的高效性能。

熱電效率可以用無(wú)量綱品質(zhì)因數(shù)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(shù)（熱功率）、電導(dǎo)率、絕對(duì)溫度以及電子和晶格熱導(dǎo)率。熱電冷卻的關(guān)鍵參數(shù)，包括最大溫差（ΔT.max）和性能系數(shù)（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(guī)則。

然而，Bi₂Te₃的冷卻性能停滯，力學(xué)性能差導(dǎo)致的加工產(chǎn)率低，以及低Te儲(chǔ)量導(dǎo)致的資源消耗問(wèn)題正在增加，這促使人們發(fā)現(xiàn)Bi的潛在替代品。因此，探索更多更好的熱電冷卻器對(duì)于全球?qū)Ω咝阅茈娮釉O(shè)備發(fā)展的新興需求至關(guān)重要。

發(fā)現(xiàn)不同的熱電冷卻器主要集中在改善具有固有低導(dǎo)熱性的材料的電傳輸性能，這些進(jìn)展具有重要的科學(xué)價(jià)值，但實(shí)際應(yīng)用需要性能優(yōu)化和可靠性驗(yàn)證。開(kāi)發(fā)更好的冷卻器的關(guān)鍵和第一個(gè)前提是提高室溫附近的熱電性能。在這個(gè)臨界溫度區(qū)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(dǎo)。

因此，專注于優(yōu)化載流子遷移率（μ）對(duì)于增強(qiáng)電傳輸特性至關(guān)重要。以SnSe為例，與多晶相比，單晶SnSe在室溫附近表現(xiàn)出超高導(dǎo)電性和金屬傳導(dǎo)行為，在載流子濃度和塞貝克系數(shù)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(tǒng)上的熱電冷卻性能外，作者認(rèn)為，通過(guò)提高載流子移動(dòng)性的基本策略，提升更傳統(tǒng)的熱電材料的冷卻能力非常重要。在大多數(shù)傳統(tǒng)系統(tǒng)中，在~10¹⁹到10²¹ cm^-3的優(yōu)化載流子濃度范圍內(nèi)，電傳輸也受到載流子-載流子散射的強(qiáng)烈影響。較少的載流子通常對(duì)應(yīng)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(shù)，這有望促進(jìn)更好的熱電性能。為了避免額外的缺陷散射，同時(shí)通過(guò)誘導(dǎo)原子取代的額外點(diǎn)缺陷來(lái)降低載流子濃度，建議使用成分控制策略。在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)內(nèi)在缺陷的另一種方法是調(diào)整制備和合成程序，稱之為過(guò)程控制。

從本質(zhì)上講，多晶的最高合成溫度和退火過(guò)程以及晶體的冷卻速率，對(duì)固有缺陷的數(shù)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(guò)程控制相結(jié)合，本文提出的這種網(wǎng)格設(shè)計(jì)策略有望通過(guò)調(diào)節(jié)固有缺陷來(lái)降低載流子濃度，從而實(shí)現(xiàn)超高的載流子遷移率和熱電性能，特別是在接近室溫時(shí)。因此，本文期望通過(guò)相似的成分實(shí)現(xiàn)p型和n型的最佳性能，這將為開(kāi)發(fā)更好的熱電冷卻器奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，特別是在熱電設(shè)備設(shè)置過(guò)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(guò)程控制的網(wǎng)格設(shè)計(jì)策略以能夠載體的流動(dòng)性，在更多的熱電系統(tǒng)中可以期待更好的冷卻性能。此外，重新審視更傳統(tǒng)的熱電材料，如PbTe或PbSe，可能具有更大的戰(zhàn)略意義，因?yàn)槲覀冎匦滤伎疾闊犭娎鋮s的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)不同的時(shí)代。此外，載波遷移率優(yōu)化伴隨著導(dǎo)電性的改善，從而實(shí)現(xiàn)更低的功耗，這對(duì)于熱電冷卻設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，特別是在5G通信領(lǐng)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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