Новый материал повышает эффективность охлаждения электроники на 210%

Электроника следующего поколения будет иметь более компактные и мощные компоненты, что потребует новых решений для охлаждения.

По словам исследователей, новый термоэлектрический охладитель, разработанный учеными Penn State, значительно повышает мощность и эффективность охлаждения по сравнению с существующими коммерческими термоэлектрическими устройствами и может помочь контролировать тепло в будущей мощной электронике.

Наш новый материал может обеспечить термоэлектрические устройства с очень высокой плотностью мощности охлаждения, — сказал Бед Паудэл, профессор-исследователь кафедры материаловедения и инженерии Университета Пенсильвании.

Нам удалось продемонстрировать, что это новое устройство может быть не только конкурентоспособным с точки зрения технико-экономических показателей, но и превосходить по этому показателю ведущие на сегодняшний день термоэлектрические модули охлаждения». Новое поколение электроники только выиграет от этой разработки.

Термоэлектрические охладители при подаче электричества передают тепло с одной стороны устройства на другую, создавая модуль с холодной и горячей сторонами. Помещение холодной стороны на электронные компоненты, выделяющие тепло, такие как лазерные диоды или микропроцессоры, позволяет отводить избыточное тепло и контролировать температуру. Но по мере того, как эти компоненты будут становиться все более мощными, термоэлектрические охладители должны будут также перекачивать больше тепла, считают ученые.

Новое термоэлектрическое устройство позволило увеличить плотность мощности охлаждения на 210% по сравнению с ведущим коммерческим устройством, изготовленным из теллурида висмута, при сохранении аналогичного коэффициента полезного действия (COP), или отношения полезного охлаждения к требуемой энергии, сообщили ученые в журнале Nature Communications.

Это решает две из трех основных проблем, связанных с созданием термоэлектрических охлаждающих устройств, — сказал Шашанк Прия, вице-президент по исследованиям Университета Миннесоты и один из соавторов статьи.

Во-первых, он может обеспечить высокую плотность мощности охлаждения при высоком COP. Это означает, что небольшое количество электроэнергии может перекачивать большое количество тепла. Во-вторых, для мощных лазеров или приложений, требующих отвода большого количества локализованного тепла с небольшой площади, это может стать оптимальным решением.

Новое устройство изготовлено из соединения полугеслеровских сплавов — класса материалов с особыми свойствами, которые перспективны для применения в энергетике, например, в термоэлектрических устройствах. Эти материалы обладают высокой прочностью, термостабильностью и эффективностью.

Исследователи использовали специальный процесс отжига — нагрев и охлаждение материалов, который позволяет изменять микроструктуру материала и манипулировать ею для устранения дефектов. По словам ученых, ранее этот метод не использовался для создания полугейслеровских термоэлектрических материалов.

Кроме того, в процессе отжига резко увеличился размер зерна материала, что привело к уменьшению границ зерен — областей в материале, где кристаллические структуры пересекаются и снижают электро- и теплопроводность.

В общем случае полугеслеровские материалы имеют очень малый размер зерна — наноразмер, — говорит Вэньцзе Ли, доцент-исследователь кафедры материаловедения и инженерии Университета Пенсильвании.

Благодаря этому процессу отжига мы можем контролировать рост зерен от наноразмеров до микроразмеров — разница в три порядка величины.

По словам ученых, уменьшение границ зерен и других дефектов существенно повышает подвижность носителей в материале, или скорость перемещения электронов через него, что приводит к увеличению коэффициента мощности. Коэффициент мощности определяет максимальную плотность мощности охлаждения и особенно важен для приложений, связанных с охлаждением электроники.

Например, при охлаждении лазерных диодов значительное количество тепла выделяется на очень малой площади, и его необходимо поддерживать при определенной температуре для оптимальной работы устройства, — сказал Ли, — Именно здесь и может быть применена наша технология. У нее большое будущее для локального управления высокой температурой.

Помимо высокого коэффициента мощности, эти материалы показали самый высокий средний коэффициент полезного действия, или КПД, среди всех полугейслеровских материалов в диапазоне температур от 300 до 873 градусов Кельвина (от 80 до 1 111 градусов по Фаренгейту). По словам ученых, полученные результаты демонстрируют перспективную стратегию оптимизации полугейслеровских материалов для термоэлектрических приложений, работающих при температурах, близких к комнатным.

Мы как страна вкладываем большие средства в CHIPS и Science Act, и одна из проблем может заключаться в том, как микроэлектроника может справиться с высокой плотностью мощности, поскольку она становится все меньше и работает на более высокой мощности, — сказал Паудэл.

Эта технология может решить некоторые из этих проблем.

16.07.2023