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研究背景

熱電材料是一種能夠直接將熱能轉化為電能，或反之進行制冷的材料，廣泛應用于能源回收、制冷和溫度調節等領域。與傳統的熱電材料相比，近年來開發的新型材料如 YbInCu₄ 具備更高的熱電性能，例如更大的塞貝克系數和優異的熱電優值（ZT）。然而，傳統熱電材料通常存在湯姆遜效應較小的問題，使得其在低溫下的冷卻效果受到限制，這給熱電冷卻器的高效應用帶來了挑戰。

成果簡介

為了解決這一問題，同濟大學裴艷中教授等人在Nature Materials期刊上發表了題為“Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition”的最新論文。該團隊設計并制備了一種新型的熱電冷卻器，利用該材料中的電子相變，顯著提高了湯姆遜效應的性能，實現了超過 5 K 的穩定溫差（ΔT）在約 38 K 的環境溫度下。這一研究通過直接操控電荷載流子的熵變化，充分利用了材料內部的熱電效應，克服了傳統熱電材料在低溫下的性能不足。研究表明，YbInCu₄ 的溫度歸一化湯姆遜系數（τ/T）高達 10 μV K^–2，顯著提升了冷卻能力，成功獲得了較大 ΔT/Thot 值（約 15%），這與傳統佩爾帖冷卻器相當。

這項研究不僅為熱電冷卻技術的提升提供了新的思路，也為低溫固態冷卻應用的拓展奠定了基礎，展示了新型熱電材料在未來應用中的巨大潛力。

研究亮點

（1）實驗首次利用湯姆遜效應，通過在 YbInCu₄ 中誘導電子相變，實現了增強的熱電冷卻效果，獲得了超過 5 K 的穩定溫差（ΔT）在約 38 K 的環境溫度下。

（2）實驗通過直接操控電荷載流子的熵，顯著提高了溫度歸一化湯姆遜系數（τ/T = dα/dT）至 10 μV K^–2。這一進展表明，材料的相變可以有效提升湯姆遜效應的貢獻，為傳統熱電冷卻器提供了一種新的優化路徑。

（3）結果顯示，該裝置的 ΔT/Thot 值約為 15%，與傳統佩爾帖冷卻器的 20% 相當，并且在低溫環境下的性能顯著優于當前最佳的 Bi1–xSbx 合金冷卻器。

圖文解讀

圖1：湯姆遜效應增強熱電冷卻。

圖2：電子相變。

圖3：YbInCu₄ 的輸運特性。

圖4：冷卻性能。

結論展望

本文揭示了YbInCu₄在熱電冷卻領域的重要性，尤其是其通過電子相變引發的強湯姆遜效應。這一發現不僅提高了冷卻性能，還展示了材料設計在實現高效熱電器件中的潛力。

與傳統熱電材料相比，YbInCu₄在電子相變過程中表現出的顯著湯姆遜系數（約10 μV K^–2）為熱電冷卻技術的創新提供了新的思路。研究表明，利用具有強電子相互作用的材料，可以在更高溫度范圍內實現有效的冷卻，從而拓展了熱電材料的應用前景。這一成果為開發新型高效冷卻器和推動熱電技術的進步提供了有力的理論支持和實驗基礎。

此外，本文強調了基礎研究與應用開發之間的緊密聯系，鼓勵科學家們探索其他可能具有相似特性的材料，以實現更廣泛的熱電應用，最終推動可持續冷卻技術的發展。這些啟示不僅對熱電材料的研究具有指導意義，也為新一代能源技術的創新奠定了基礎。

文獻信息

Chen, Z., Zhang, X., Zhang, S. et al. Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition. Nat. Mater. (2024).

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