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Jun 21, 2023

Nouveau sommet

Image de Penn State : les matériaux Half-Heusler peuvent augmenter la densité de puissance de refroidissement des dispositifs thermoélectriques et fournir une solution de refroidissement pour la prochaine génération d'électronique haute puissance. Voir plus

État de Pennsylvanie

image : Les matériaux Half-Heusler peuvent augmenter la densité de puissance de refroidissement des dispositifs thermoélectriques et fournir une solution de refroidissement pour la prochaine génération d'électronique haute puissance.Voir plus

Crédit : Avec l’aimable autorisation de Wenjie Li

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie — L'électronique de nouvelle génération comportera des composants plus petits et plus puissants qui nécessitent de nouvelles solutions de refroidissement. Un nouveau refroidisseur thermoélectrique développé par des scientifiques de Penn State améliore considérablement la puissance et l'efficacité du refroidissement par rapport aux unités thermoélectriques commerciales actuelles et pourrait aider à contrôler la chaleur dans les futurs appareils électroniques haute puissance, ont indiqué les chercheurs.

"Notre nouveau matériau peut fournir des dispositifs thermoélectriques avec une densité de puissance de refroidissement très élevée", a déclaré Bed Poudel, professeur-chercheur au Département de science et d'ingénierie des matériaux de Penn State. « Nous avons pu démontrer que ce nouveau dispositif peut non seulement être compétitif en termes de mesures technico-économiques, mais aussi surpasser les principaux modules de refroidissement thermoélectriques actuels. La nouvelle génération d’électronique bénéficiera de cette évolution.

Les refroidisseurs thermoélectriques transfèrent la chaleur d'un côté à l'autre de l'appareil lorsque l'électricité est appliquée, créant ainsi un module avec des côtés froids et chauds. Placer le côté froid sur des composants électroniques qui génèrent de la chaleur, comme des diodes laser ou des microprocesseurs, peut évacuer l'excès de chaleur et aider à contrôler la température. Mais à mesure que ces composants deviennent plus puissants, les refroidisseurs thermoélectriques devront également pomper davantage de chaleur, ont indiqué les scientifiques.

Le nouveau dispositif thermoélectrique a montré une amélioration de 210 % de la densité de puissance de refroidissement par rapport au principal dispositif commercial, fabriqué en tellurure de bismuth, tout en conservant potentiellement un coefficient de performance (COP) similaire, ou le rapport entre le refroidissement utile et l'énergie requise, ont rapporté les scientifiques. dans les communications naturelles.

"Cela résout deux des trois grands défis liés à la fabrication de dispositifs de refroidissement thermoélectriques", a déclaré Shashank Priya, vice-président de la recherche à l'Université du Minnesota et co-auteur de l'article. « Premièrement, il peut fournir une densité de puissance de refroidissement élevée avec un COP élevé. Cela signifie qu’une petite quantité d’électricité peut pomper beaucoup de chaleur. Deuxièmement, pour un laser de haute puissance ou des applications qui nécessitent l’élimination d’une grande quantité de chaleur localisée sur une petite zone, cela peut constituer la solution optimale.

Le nouvel appareil est fabriqué à partir d’un composé d’alliages demi-Heusler, une classe de matériaux aux propriétés spéciales prometteuses pour les applications énergétiques telles que les dispositifs thermoélectriques. Ces matériaux offrent une bonne résistance, stabilité thermique et efficacité.

Les chercheurs ont utilisé un processus de recuit spécial – qui traite de la manière dont les matériaux sont chauffés et refroidis – qui leur a permis de modifier et de manipuler la microstructure du matériau pour éliminer les défauts. Il n'avait pas été utilisé auparavant pour fabriquer des matériaux thermoélectriques à moitié Heusler, ont indiqué les scientifiques.

Le processus de recuit a également considérablement augmenté la taille des grains du matériau, ce qui a entraîné une réduction des joints de grains, c'est-à-dire des zones dans un matériau où les structures cristallites se rencontrent et qui réduisent la conductivité électrique ou thermique.

"En général, le matériau demi-Heusler a une très petite taille de grain - des grains de taille nanométrique", a déclaré Wenjie Li, professeur de recherche adjoint au Département de science et d'ingénierie des matériaux de Penn State. "Grâce à ce processus de recuit, nous pouvons contrôler la croissance des grains de l'échelle nanométrique à l'échelle microscopique, soit une différence de trois ordres de grandeur."

La réduction des joints de grains et d'autres défauts a considérablement amélioré la mobilité des porteurs du matériau, ou la manière dont les électrons peuvent se déplacer à travers celui-ci, produisant ainsi un facteur de puissance plus élevé, ont indiqué les scientifiques. Le facteur de puissance détermine la densité maximale de puissance de refroidissement et est particulièrement important dans les applications de refroidissement électronique.

"Par exemple, lors du refroidissement d'une diode laser, une quantité importante de chaleur est générée dans une très petite zone et elle doit être maintenue à une température spécifique pour des performances optimales de l'appareil", a déclaré Li. "C'est là que notre technologie peut être utilisée. appliqué. Cela a un bel avenir pour la haute gestion thermique locale.