下一代电子产品将采用更小、更强大的组件，需要新的冷却解决方案。研究人员表示，与目前的商用热电装置相比，宾夕法尼亚州立大学科学家开发的新型热电冷却器大大提高了冷却能力和效率，并可能有助于控制未来高功率电子设备的热量。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系研究教授 Bed Poudel 表示：“我们的新材料可以为热电设备提供非常高的冷却功率密度。” “我们能够证明，这种新设备不仅在技术经济措施方面具有竞争力，而且优于当前领先的热电冷却模块。新一代电子产品将受益于这一发展。”
激光二极管或微处理器
当通电时，热电冷却器将热量从设备的一侧传递到另一侧，形成具有冷侧和热侧的模块。将冷侧放置在产生热量的电子元件上，例如激光二极管或微处理器，可以抽走多余的热量并帮助控制温度。但科学家们表示，随着这些组件变得更加强大，热电冷却器也需要泵送更多的热量。
科学家在《自然通讯》杂志上报道称，与由碲化铋制成的领先商业设备相比，新型热电设备的冷却功率密度提高了 210%，同时可能保持相似的性能系数 (COP)，即有用冷却与所需能量的 比率。
“这解决了制造热电冷却设备的三大挑战中的两个，”明尼苏达大学研究副校长、该论文的合著者 Shashank Priya 说。“首先，它可以提供高冷却功率密度和高 COP。这意味着少量的电力可以泵出大量的热量。其次，对于高功率激光器或需要从小区域去除大量局部热量的应用，这可以提供最佳解决方案。”
这种新器件由半霍斯勒合金的化合物制成，这种材料具有特殊的性能，在热电器件等能源应用中具有广阔的前景。这些材料具有良好的强度、热稳定性和效率。
微晶结构
研究人员使用了一种特殊的退火工艺（处理材料如何加热和冷却），使他们能够修改和操纵材料的微观结构以消除缺陷。科学家们表示，它以前从未被用来制造半赫斯勒热电材料。
退火过程还显着增大了材料的晶粒尺寸，从而导致晶界减少，晶界是材料中微晶结构相遇并降低电导率或导热率的区域。
最大冷却功率密度
“一般来说，半霍斯勒材料的晶粒尺寸非常小——纳米尺寸的晶粒，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系助理研究教授李文杰说。“通过这种退火过程，我们可以控制晶粒从纳米尺度生长到微米尺度——相差三个数量级。”
科学家们表示，减少晶界和其他缺陷可以显着增强材料的载流子迁移率，或者电子在材料中移动的方式，从而产生更高的功率因数。功率因数决定最大冷却功率密度，在电子冷却应用中尤其重要。
热电应用。
“例如，在激光二极管冷却中，在非常小的区域内会产生大量的热量，必须将其保持在特定的温度才能实现设备的最佳性能，”李说，“这就是我们的技术可以应用的地方。这对于局部高热管理来说有着光明的前景。”
除了高功率因数外，这些材料在 300 至 873 开氏度（80 至 1,111 华氏度）的温度范围内还产生了所有半霍斯勒材料中最高的平均品质因数或效率。科学家们表示，这些结果表明了一种针对近室温热电应用优化半霍斯勒材料的有前景的策略。
Poudel 说：“作为一个国家，我们在《芯片和科学法案》上投入了大量资金，其中一个问题可能是，随着微电子器件变得更小并以更高的功率运行，它们如何能够处理高功率密度。” “这项技术或许能够解决其中一些挑战。”
