Электроника следующего поколения будет включать в себя более компактные и мощные компоненты, требующие новых решений для охлаждения. По словам исследователей, новый термоэлектрический охладитель, разработанный учеными Penn State, значительно улучшает мощность и эффективность охлаждения по сравнению с существующими коммерческими термоэлектрическими блоками и может помочь контролировать тепло в будущей мощной электронике.
«Наш новый материал может обеспечить термоэлектрические устройства с очень высокой удельной мощностью охлаждения », — сказал Бед Пудель, профессор-исследователь Департамента материаловедения и инженерии в Пенсильвании. «Мы смогли продемонстрировать, что это новое устройство может быть не только конкурентоспособным с точки зрения технико-экономических показателей, но и превосходить ведущие современные термоэлектрические охлаждающие модули. Новое поколение электроники выиграет от этой разработки».
Термоэлектрические охладители передают тепло от одной стороны устройства к другой при подаче электричества, создавая модуль с холодной и горячей сторонами. Размещение холодной стороны электронных компонентов , выделяющих тепло, таких как лазерные диоды или микропроцессоры, может отводить избыточное тепло и помогать контролировать температуру. Но по мере того, как эти компоненты становятся более мощными, термоэлектрическим охладителям также потребуется перекачивать больше тепла, говорят ученые.
Ученые сообщили, что новое термоэлектрическое устройство продемонстрировало повышение удельной мощности охлаждения на 210% по сравнению с ведущим коммерческим устройством, изготовленным из теллурида висмута, при потенциальном сохранении аналогичного коэффициента полезного действия (COP) или отношения полезного охлаждения к требуемой энергии. в коммуникациях природы .
«Это решает две из трех серьезных проблем при создании термоэлектрических охлаждающих устройств», — сказал Шашанк Прия, вице-президент по исследованиям в Университете Миннесоты и соавтор статьи. «Во-первых, он может обеспечить высокую удельную мощность охлаждения с высоким КПД. Это означает, что небольшое количество электроэнергии может откачивать много тепла. Во-вторых, для мощного лазера или приложений, требующих отвода большого количества локализованного тепла. с небольшой площади это может обеспечить оптимальное решение».
Новое устройство изготовлено из смеси полугейслеровских сплавов — класса материалов с особыми свойствами, перспективными для применения в энергетике, например, в термоэлектрических устройствах. Эти материалы обладают хорошей прочностью, термической стабильностью и эффективностью.
Исследователи использовали специальный процесс отжига, который касается того, как материалы нагреваются и охлаждаются, что позволило им модифицировать и манипулировать микроструктурой материала для удаления дефектов. По словам ученых, ранее он не использовался для изготовления полугейслеровских термоэлектрических материалов.
Процесс отжига также резко увеличил размер зерна материала, что привело к уменьшению количества границ зерен — областей в материале, где встречаются кристаллитные структуры, что снижает электрическую или тепловую проводимость.
«В целом материал полугейслера имеет очень малый размер зерна — наноразмерное зерно», — сказал Венджи Ли, доцент кафедры материаловедения и инженерии Пенсильванского университета. «С помощью этого процесса отжига мы можем контролировать рост зерен от наномасштаба до микромасштаба — разница в три порядка».
По словам ученых, уменьшение границ зерен и других дефектов существенно увеличило подвижность носителей в материале или то, как электроны могут проходить через него, что привело к более высокому коэффициенту мощности. Коэффициент мощности определяет максимальную удельную мощность охлаждения и особенно важен для систем охлаждения электроники.
«Например, при охлаждении лазерного диода значительное количество тепла выделяется на очень небольшой площади, и его необходимо поддерживать при определенной температуре для оптимальной работы устройства, — сказал Ли. — Вот где наша технология может быть применена. Применяется. У этого есть светлое будущее для локального управления высокой температурой ».
В дополнение к высокому коэффициенту мощности материалы продемонстрировали самую высокую среднюю добротность или эффективность среди всех полугейслеровых материалов в диапазоне температур от 300° до 873° по Кельвину (от 80 до 1111° по Фаренгейту). результаты показывают многообещающую стратегию оптимизации полугейслеровых материалов для термоэлектрических применений при температуре, близкой к комнатной.
«Как страна, мы много инвестируем в Закон о микросхемах и науке, и одна из проблем может заключаться в том, как микроэлектроника может справляться с высокой плотностью мощности по мере того, как она становится меньше и работает с большей мощностью», — сказал Пудель. «Эта технология может решить некоторые из этих проблем».