Последние достижения в разработке термоэлектрических охлаждающих модулей.
I. Прорывные исследования материалов и пределов производительности.
1. Углубление концепции «фононного стекла – электронного кристалла»: •
Последнее достижение: исследователи ускорили процесс отбора потенциальных материалов с чрезвычайно низкой теплопроводностью решетки и высоким коэффициентом Зеебека благодаря высокопроизводительным вычислениям и машинному обучению. Например, они обнаружили соединения фазы Цинтля (такие как YbCd2Sb2) со сложной кристаллической структурой и соединения клеточной формы, значения ZT которых превышают значения для традиционного Bi2Te3 в определенных температурных диапазонах.
Стратегия «энтропийной инженерии»: введение композиционного беспорядка в высокоэнтропийные сплавы или многокомпонентные твердые растворы, который сильно рассеивает фононы и значительно снижает теплопроводность без серьезного ухудшения электрических свойств, стало эффективным новым подходом к повышению термоэлектрического коэффициента полезного действия.
2. Передовые достижения в области низкоразмерных и наноструктур:
Двумерные термоэлектрические материалы: Исследования однослойных/монослойных SnSe, MoS₂ и др. показали, что их эффект квантового ограничения и поверхностные состояния могут приводить к чрезвычайно высоким коэффициентам мощности и чрезвычайно низкой теплопроводности, что открывает возможности для изготовления сверхтонких, гибких микротермоэлектрических элементов, микротермоэлектрических охлаждающих модулей, микроэлементов Пельтье (микроэлементов Пельтье).
Инженерное проектирование интерфейсов в нанометровом масштабе: точное управление микроструктурами, такими как границы зерен, дислокации и нанофазные осадки, в качестве «фононных фильтров», избирательно рассеивающих тепловые носители (фононы), позволяя при этом электронам беспрепятственно проходить, тем самым нарушая традиционную взаимосвязь термоэлектрических параметров (проводимость, коэффициент Зеебека, теплопроводность).
II. Исследование новых холодильных механизмов и устройств
1. Термоэлектрическое охлаждение на основе внутренних тепловых потоков:
Это революционно новое направление. Использование миграции и фазовых превращений (таких как электролиз и затвердевание) ионов (а не электронов/дырок) под действием электрического поля позволяет добиться эффективного поглощения тепла. Последние исследования показывают, что некоторые ионные гели или жидкие электролиты могут создавать гораздо большие перепады температур, чем традиционные термоэлектрические охладители, модули Пельтье, термоэлектрические модули, термоэлектрические охладители при низких напряжениях, открывая совершенно новый путь для разработки гибких, бесшумных и высокоэффективных технологий охлаждения следующего поколения.
2. Попытки миниатюризации холодильных установок с использованием электрических и напорных камер: •
Хотя электрокалорические/термокалорические материалы не являются формой термоэлектрического эффекта, в качестве конкурирующей технологии для твердотельного охлаждения, такие материалы (например, полимеры и керамика) могут демонстрировать значительные колебания температуры под воздействием электрических полей или напряжений. Последние исследования направлены на миниатюризацию и создание массивов электрокалорических/термокалорических материалов, а также на проведение принципиального сравнения и конкуренции с термоэлектрическими элементами, модулями Пельтье, термоэлектрическими охлаждающими модулями и устройствами Пельтье с целью поиска сверхнизкопотребляющих решений для микроохлаждения.
III. Передовые направления системной интеграции и инноваций в приложениях
1. Интеграция на кристалле для рассеивания тепла на уровне микросхемы:
Последние исследования сосредоточены на интеграции микротермоэлектрических элементов.микротермоэлектрический модульМодуль термоэлектрического охлаждения, элементы Пельтье и кремниевые чипы объединены в монолитном (едином) устройстве. С помощью технологии MEMS (микроэлектромеханические системы) на обратной стороне чипа непосредственно изготавливаются массивы микроэлектрических столбцов для обеспечения «точечного» активного охлаждения в реальном времени локальных зон перегрева процессоров/графических процессоров, что, как ожидается, позволит преодолеть тепловое узкое место в архитектуре фон Неймана. Это считается одним из лучших решений проблемы «тепловой стены» будущих вычислительных чипов.
2. Автономное управление температурным режимом для носимой и гибкой электроники:
Сочетание двойной функции термоэлектрической генерации энергии и охлаждения. К последним достижениям относится разработка эластичных и высокопрочных гибких термоэлектрических волокон. Они могут не только генерировать электроэнергию для носимых устройств, используя разницу температур.а также обеспечить локальное охлаждение (например, охлаждение специальной рабочей униформы) за счет обратного тока.достижение комплексного управления энергопотреблением и тепловым режимом.
3. Точный контроль температуры в квантовых технологиях и биосенсорике:
В передовых областях, таких как квантовые биты и высокочувствительные датчики, крайне важен сверхточный контроль температуры на уровне мК (милликельвинов). Последние исследования сосредоточены на многоступенчатых термоэлектрических охладителях (ТЭО), многоступенчатых модулях Пельтье (термоэлектрических охлаждающих модулях) с чрезвычайно высокой точностью (±0,001 °C) и изучают использование модулей ТЭО, устройств Пельтье и охладителей Пельтье для активного подавления шума с целью создания сверхстабильной тепловой среды для платформ квантовых вычислений и устройств обнаружения отдельных молекул.
IV. Инновации в технологиях моделирования и оптимизации
Проектирование с использованием искусственного интеллекта: применение ИИ (например, генеративно-состязательных сетей, обучения с подкреплением) для обратного проектирования «материал-структура-характеристики», прогнозирование оптимального многослойного сегментированного состава материала и геометрии устройства для достижения максимального коэффициента охлаждения в широком диапазоне температур, что значительно сокращает цикл исследований и разработок.
Краткое содержание:
Последние достижения в области исследований элементов Пельтье и термоэлектрических охлаждающих модулей (ТЭО-модулей) переходят от «улучшения» к «трансформации». Ключевые особенности заключаются в следующем: •
На материальном уровне: от объемного легирования до межфазных границ на атомном уровне и управления энтропией.
На фундаментальном уровне: от использования электронов до исследования новых носителей заряда, таких как ионы и поляроны.
Уровень интеграции: от дискретных компонентов до глубокой интеграции с микросхемами, тканями и биологическими устройствами.
Целевой уровень: Переход от охлаждения на макроуровне к решению проблем управления тепловыми процессами в передовых технологиях, таких как квантовые вычисления и интегрированная оптоэлектроника.
Эти достижения указывают на то, что будущие термоэлектрические технологии охлаждения будут более эффективными, миниатюрными, интеллектуальными и глубоко интегрированными в ядро информационных технологий следующего поколения, биотехнологий и энергетических систем.
Дата публикации: 04.03.2026
