采用半导体工艺技术构建的薄膜热电冷却

约翰霍普金斯大学应用物理实验室 （APL） 和三星电子的研究人员开发了一种固态热电冷却材料，该材料可以使用半导体工艺技术进行批量构建。

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受控分层工程超晶格结构 （CHESS） 的效率是用市售的体热电材料制成的用于冷却电子设备的器件的两倍。CHESS 技术是 APL 十年研究的成果，最初用于美国 DAPRA 计划的国家安全应用，但它也被用于为假肢提供凉爽的感觉。

“这个使用新型热电材料的制冷真实世界演示展示了纳米工程 CHESS 薄膜的能力，”联合项目首席研究员兼 APL 热电技术专家 Rama Venkatasubramanian 说。“它标志着冷却技术的重大飞跃，并为将热电材料的进步转化为实用、大规模、节能的制冷应用奠定了基础。”

它通过使用电子将热量通过专门的半导体材料进行冷却，无需移动部件或具有挑战性的冷却剂液体。

“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、成本效益和支持大批量制造的能力而闻名，”领导 APL MOCVD 增长能力的高级研究工程师 Jon Pierce 说。“MOCVD 已经在商业上得到广泛应用，使其成为扩大 CHESS 薄膜热电材料生产规模的理想选择。”

然后，研究人员在标准化制冷测试中使用传统体热电材料的制冷模块与使用 CHESS 薄膜材料的制冷模块进行了比较，测量和比较了在同一商用冰箱测试系统中达到不同冷却水平所需的电功率。

三星电子的制冷团队在材料工程师 Sungjin Jung 的领导下，与 APL 合作，通过详细的热建模来验证结果，量化热负荷和热阻参数，以确保在实际条件下进行准确的性能评估。

使用 CHESS 材料，APL 团队在室温下的效率比传统热电材料提高了近 100%。这意味着热电模块的设备级效率提高了近 75%，完全集成的制冷系统的效率提高了 70%。

Venkatasubramanian 说：“这种薄膜技术有可能从为小型制冷系统提供动力发展到支持大型建筑 HVAC 应用，类似于锂离子电池被扩展到为小如手机和大如电动汽车的设备供电的方式。

这些材料和设备在冷藏领域除了近期的进展，聚能和电子设备都有广泛应用的前景。APL计划将CHESS热电材料进行精细化，以便与组织继续合作，提高效率。今后的努力包括展示大规模制冷系统，包括在人工智能制冷和HVAC设备中分化或分布式制冷设备的能效优化。

“除了制冷之外，CHESS 材料还能够将温差（如体热）转化为可用电力，”APL 研究和探索开发任务区勘探计划区域经理 Jeff Maranchi 说。“除了推进下一代触觉系统、假肢和人机界面外，这还为从计算机到航天器的各种应用打开了可扩展的能量收集技术的大门——这些冷却能力在旧的、笨重的热电设备中是不可行的。”

“这项合作的成功表明，高效固态制冷不仅在科学上可行，而且可以大规模制造，”APL 技术商业化经理 Susan Ehrlich 说。“我们期待着与公司继续进行研究和技术转让的机会，因为我们正在努力将这些创新转化为实际应用。”