給電子器件裝上“微型空調(diào)” 天目山實(shí)驗(yàn)室成果登上《科學(xué)》

提到制冷，你可能會(huì)想到空調(diào)或冰箱，但在一些看不見(jiàn)的角落，如芯片或電子設(shè)備中，熱電器件就像微型“空調(diào)”，發(fā)揮著制冷的重要作用。

天目山實(shí)驗(yàn)室科研人員研究發(fā)現(xiàn)一種在室溫下，能夠擁有優(yōu)異性能的熱電材料——N型硒化鉛（PbSe)晶體，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的制冷性能和效率，在室溫下能夠?qū)崿F(xiàn)73.3攝氏度的制冷溫差。

天目山實(shí)驗(yàn)室資料圖

北京時(shí)間3月15日，相關(guān)成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。本次論文合作單位，包括北京航空航天大學(xué)、昆明理工大學(xué)、鄭州大學(xué)、太原科技大學(xué)、北京高壓科學(xué)中心等，天目山實(shí)驗(yàn)室青年科學(xué)家趙立東教授和北京航空航天大學(xué)副研究員張瀟為論文的共同通訊作者。

熱電制冷是什么？

通過(guò)熱電器件，熱能和電能之間能夠相互轉(zhuǎn)換。

在熱電器件中，當(dāng)材料接入電流時(shí)，電流會(huì)驅(qū)動(dòng)載流子（可自由移動(dòng)的帶電微觀粒子）進(jìn)行定向遷移，讓材料實(shí)現(xiàn)吸熱或放熱，從而實(shí)現(xiàn)通電制冷和溫度控制。

“在精確制導(dǎo)、傳感器和5G光模塊等領(lǐng)域中，尤其在通信和集成電子技術(shù)中有不可替代的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)?！睆垶t解釋。

研制熱電器件，材料很關(guān)鍵，限制其發(fā)展主要在于近室溫?zé)犭姴牧闲阅茌^差導(dǎo)致熱電器件性能較低。

張瀟介紹，目前，碲化鉍（Bi2Te3）合金是唯一商業(yè)應(yīng)用的熱電制冷材料，但這種材料具有制冷性能不足、加工性差、良品率低、運(yùn)行功耗高等問(wèn)題，尤其是其中的碲（Te）元素儲(chǔ)量極低，地殼稀缺程度等同于白金。“因此，市面上的熱電制冷器件的產(chǎn)量供不應(yīng)求，所以研發(fā)新型的熱電制冷材料至關(guān)重要?！?/p>

圖：額外補(bǔ)償微量鉛的硒化鉛晶體的電傳輸性能

經(jīng)過(guò)兩年不懈努力，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了新的熱電材料——N型硒化鉛晶體，可以在無(wú)碲情況下實(shí)現(xiàn)高效控溫和制冷。

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如同電池需要正負(fù)兩極，一個(gè)基礎(chǔ)的熱電制冷器件，需要P、N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成。

“本次研究成果主要是研制了高質(zhì)量的N型硒化鉛晶體，這是一種可以在室溫下，具有優(yōu)異性能的熱電材料，在室溫‘發(fā)電’和‘制冷’兩個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域均有巨大潛力?！睆垶t表示。

此前，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)P型硒化錫晶體——當(dāng)N型硒化鉛晶體與P型硒化錫晶體結(jié)合，制備出的硒基熱電制冷器件在室溫下能夠?qū)崿F(xiàn)73.3攝氏度的制冷溫差。

圖：硒化鉛晶體的發(fā)電效率及其與其他材料對(duì)比

“其相同溫差下的制冷效率優(yōu)于碲化鉍基等主流制冷器件，并在420 攝氏度溫差下實(shí)現(xiàn)了11.2%的發(fā)電效率?！睆垶t介紹。

這款材料是如何研發(fā)出來(lái)的？

據(jù)介紹，N型硒化鉛晶體通過(guò)利用“柵格素化”策略形成，該策略是通過(guò)精細(xì)調(diào)控化學(xué)成分使得材料中的施主和受主缺陷接近平衡，以及制備工藝采用物理氣相沉積（PVD）制備出高質(zhì)量的晶體，從而改善載流子遷移率，實(shí)現(xiàn)了高效率電子制冷。

圖：通過(guò)柵格素化策略調(diào)控材料組分實(shí)現(xiàn)材料優(yōu)異的熱電性能及制冷溫差

研究工作中，團(tuán)隊(duì)制備出首個(gè)無(wú)碲的高效硒(Se)基熱電制冷器件?！拔磥?lái)，有望應(yīng)用于電子元件設(shè)備中，對(duì)于取代含稀缺昂貴碲元素的碲化鉍熱電制冷器件具有重要的意義。”張瀟表示。

有問(wèn)題才有機(jī)會(huì)探尋背后原理

近年來(lái)，趙立東教授研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于開(kāi)發(fā)新型熱電材料和高效制冷器件。圍繞這一領(lǐng)域，截至目前團(tuán)隊(duì)已在《科學(xué)》正刊發(fā)表9篇論文。

回顧科研之路，早在2021年，趙立東團(tuán)隊(duì)就研究發(fā)現(xiàn)了硒化錫材料在綠色制冷上具有優(yōu)異應(yīng)用潛力。

基于此，該團(tuán)隊(duì)首次開(kāi)發(fā)了寬帶隙硒化錫晶體的熱電器件。在此之前，傳統(tǒng)熱電研究理論認(rèn)為，只有窄帶隙半導(dǎo)體或零帶隙的半金屬材料，才能成為潛在的熱電材料。因此，新型寬帶隙硒化錫熱電制冷材料的開(kāi)發(fā)，在一定程度上顛覆了領(lǐng)域內(nèi)的以往認(rèn)知。

探索過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)研制出P型硒化錫晶體，并不斷提升材料性能。

圖：對(duì)比補(bǔ)償鉛前后硒化鉛晶體的微觀結(jié)構(gòu)

在近兩年的研究中，他們又朝著開(kāi)發(fā)出高性能N型材料方向出發(fā)，研制出N型硒化鉛晶體，使之形成有潛力的熱電制冷器件，不斷開(kāi)發(fā)高效的熱電制冷材料。

“科研遇到問(wèn)題是在所難免的，有問(wèn)題其實(shí)就意味著有機(jī)會(huì)去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題背后的原理。”張瀟說(shuō)道，成果的發(fā)現(xiàn)不是一蹴而就的，每走一步都會(huì)遇到一些問(wèn)題并解決它。

張瀟表示，未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將以制冷器件批量生產(chǎn)為目標(biāo)，此外還會(huì)繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)熱電制冷材料及器件研究，比如制冷材料的力學(xué)性能優(yōu)化，和器件組裝技術(shù)中，對(duì)熱阻、電阻的控制，以及通過(guò)優(yōu)化集成技術(shù)，降低器件的功耗，進(jìn)一步提高制冷性能。

（圖片來(lái)自天目山實(shí)驗(yàn)室）