给电子器件装上“微型空调” 天目山实验室成果登上《科学》

提到制冷，你可能会想到空调或冰箱，但在一些看不见的角落，如芯片或电子设备中，热电器件就像微型“空调”，发挥着制冷的重要作用。

天目山实验室科研人员研究发现一种在室温下，能够拥有优异性能的热电材料——N型硒化铅（PbSe)晶体，能够实现高效的制冷性能和效率，在室温下能够实现73.3摄氏度的制冷温差。

天目山实验室资料图

北京时间3月15日，相关成果在国际学术期刊《科学》发表。本次论文合作单位，包括北京航空航天大学、昆明理工大学、郑州大学、太原科技大学、北京高压科学中心等，天目山实验室青年科学家赵立东教授和北京航空航天大学副研究员张潇为论文的共同通讯作者。

热电制冷是什么？

通过热电器件，热能和电能之间能够相互转换。

在热电器件中，当材料接入电流时，电流会驱动载流子（可自由移动的带电微观粒子）进行定向迁移，让材料实现吸热或放热，从而实现通电制冷和温度控制。

“在精确制导、传感器和5G光模块等领域中，尤其在通信和集成电子技术中有不可替代的竞争优势。”张潇解释。

研制热电器件，材料很关键，限制其发展主要在于近室温热电材料性能较差导致热电器件性能较低。

张潇介绍，目前，碲化铋（Bi2Te3）合金是唯一商业应用的热电制冷材料，但这种材料具有制冷性能不足、加工性差、良品率低、运行功耗高等问题，尤其是其中的碲（Te）元素储量极低，地壳稀缺程度等同于白金。“因此，市面上的热电制冷器件的产量供不应求，所以研发新型的热电制冷材料至关重要。”

图：额外补偿微量铅的硒化铅晶体的电传输性能

经过两年不懈努力，团队发现了新的热电材料——N型硒化铅晶体，可以在无碲情况下实现高效控温和制冷。

或将取代碲基热电制冷器件

如同电池需要正负两极，一个基础的热电制冷器件，需要P、N型半导体材料构成。

“本次研究成果主要是研制了高质量的N型硒化铅晶体，这是一种可以在室温下，具有优异性能的热电材料，在室温‘发电’和‘制冷’两个关键领域均有巨大潜力。”张潇表示。

此前，团队还发现P型硒化锡晶体——当N型硒化铅晶体与P型硒化锡晶体结合，制备出的硒基热电制冷器件在室温下能够实现73.3摄氏度的制冷温差。

图：硒化铅晶体的发电效率及其与其他材料对比

“其相同温差下的制冷效率优于碲化铋基等主流制冷器件，并在420 摄氏度温差下实现了11.2%的发电效率。”张潇介绍。

这款材料是如何研发出来的？

据介绍，N型硒化铅晶体通过利用“栅格素化”策略形成，该策略是通过精细调控化学成分使得材料中的施主和受主缺陷接近平衡，以及制备工艺采用物理气相沉积（PVD）制备出高质量的晶体，从而改善载流子迁移率，实现了高效率电子制冷。

图：通过栅格素化策略调控材料组分实现材料优异的热电性能及制冷温差

研究工作中，团队制备出首个无碲的高效硒(Se)基热电制冷器件。“未来，有望应用于电子元件设备中，对于取代含稀缺昂贵碲元素的碲化铋热电制冷器件具有重要的意义。”张潇表示。

有问题才有机会探寻背后原理

近年来，赵立东教授研究团队长期致力于开发新型热电材料和高效制冷器件。围绕这一领域，截至目前团队已在《科学》正刊发表9篇论文。

回顾科研之路，早在2021年，赵立东团队就研究发现了硒化锡材料在绿色制冷上具有优异应用潜力。

基于此，该团队首次开发了宽带隙硒化锡晶体的热电器件。在此之前，传统热电研究理论认为，只有窄带隙半导体或零带隙的半金属材料，才能成为潜在的热电材料。因此，新型宽带隙硒化锡热电制冷材料的开发，在一定程度上颠覆了领域内的以往认知。

探索过程中，团队研制出P型硒化锡晶体，并不断提升材料性能。

图：对比补偿铅前后硒化铅晶体的微观结构

在近两年的研究中，他们又朝着开发出高性能N型材料方向出发，研制出N型硒化铅晶体，使之形成有潜力的热电制冷器件，不断开发高效的热电制冷材料。

“科研遇到问题是在所难免的，有问题其实就意味着有机会去发现问题背后的原理。”张潇说道，成果的发现不是一蹴而就的，每走一步都会遇到一些问题并解决它。

张潇表示，未来，团队将以制冷器件批量生产为目标，此外还会继续加强对热电制冷材料及器件研究，比如制冷材料的力学性能优化，和器件组装技术中，对热阻、电阻的控制，以及通过优化集成技术，降低器件的功耗，进一步提高制冷性能。

（图片来自天目山实验室）