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Jun 21, 2023

Nuovo massimo

Immagine Penn State: i materiali Half-Heusler possono fornire un aumento della densità di potenza di raffreddamento dei dispositivi termoelettrici e fornire una soluzione di raffreddamento per la prossima generazione di dispositivi elettronici ad alta potenza. vedere di più

Pen State

immagine: I materiali Half-Heusler possono fornire un aumento della densità di potenza di raffreddamento dei dispositivi termoelettrici e fornire una soluzione di raffreddamento per la prossima generazione di elettronica ad alta potenza.vedere di più

Credito: per gentile concessione di Wenjie Li

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — L'elettronica di prossima generazione sarà caratterizzata da componenti più piccoli e più potenti che richiedono nuove soluzioni per il raffreddamento. Un nuovo dispositivo di raffreddamento termoelettrico sviluppato dagli scienziati della Penn State migliora notevolmente la potenza di raffreddamento e l’efficienza rispetto alle attuali unità termoelettriche commerciali e potrebbe aiutare a controllare il calore nei futuri dispositivi elettronici ad alta potenza, hanno affermato i ricercatori.

"Il nostro nuovo materiale può fornire dispositivi termoelettrici con una densità di potenza di raffreddamento molto elevata", ha affermato Bed Poudel, professore di ricerca presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn State. “Siamo stati in grado di dimostrare che questo nuovo dispositivo non solo può essere competitivo in termini di misure tecnicoeconomiche, ma può anche sovraperformare gli attuali principali moduli di raffreddamento termoelettrici. La nuova generazione di elettronica trarrà beneficio da questo sviluppo”.

I refrigeratori termoelettrici trasferiscono il calore da un lato all'altro del dispositivo quando viene applicata l'elettricità, creando un modulo con lati freddi e caldi. Posizionare il lato freddo sui componenti elettronici che generano calore, come diodi laser o microprocessori, può pompare via il calore in eccesso e aiutare a controllare la temperatura. Ma man mano che questi componenti diventeranno più potenti, anche i refrigeratori termoelettrici dovranno pompare più calore, hanno detto gli scienziati.

Il nuovo dispositivo termoelettrico ha mostrato un miglioramento del 210% nella densità di potenza di raffreddamento rispetto al principale dispositivo commerciale, realizzato in tellururo di bismuto, pur mantenendo potenzialmente un coefficiente di prestazione (COP) simile, o il rapporto tra raffreddamento utile ed energia richiesta, hanno riferito gli scienziati nelle comunicazioni sulla natura.

“Questo risolve due delle tre grandi sfide nella realizzazione di dispositivi di raffreddamento termoelettrici”, ha affermato Shashank Priya, vicepresidente per la ricerca presso l’Università del Minnesota e coautore dell’articolo. “In primo luogo, può fornire un’elevata densità di potenza di raffreddamento con un COP elevato. Ciò significa che una piccola quantità di elettricità può pompare molto calore. In secondo luogo, per un laser ad alta potenza o per applicazioni che richiedono la rimozione di molto calore localizzato da una piccola area, questa può fornire la soluzione ottimale”.

Il nuovo dispositivo è costituito da un composto di leghe semi-Heusler, una classe di materiali con proprietà speciali che sembrano promettenti per applicazioni energetiche come i dispositivi termoelettrici. Questi materiali offrono buona resistenza, stabilità termica ed efficienza.

I ricercatori hanno utilizzato uno speciale processo di ricottura – che riguarda il modo in cui i materiali vengono riscaldati e raffreddati – che ha permesso loro di modificare e manipolare la microstruttura del materiale per rimuovere i difetti. Non era stato utilizzato in precedenza per produrre materiali termoelettrici mezzo Heusler, hanno detto gli scienziati.

Il processo di ricottura ha anche aumentato notevolmente la dimensione dei grani del materiale, portando a un minor numero di bordi dei grani, ovvero aree in un materiale in cui le strutture dei cristalliti si incontrano e che riducono la conduttività elettrica o termica.

"In generale, il materiale mezzo Heusler ha una granulometria molto piccola, nanometrica", ha affermato Wenjie Li, assistente professore di ricerca presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Penn State. “Attraverso questo processo di ricottura possiamo controllare la crescita del grano dalla nanoscala alla microscala, una differenza di tre ordini di grandezza”.

La riduzione dei bordi dei grani e di altri difetti ha sostanzialmente migliorato la mobilità dei portatori del materiale, o il modo in cui gli elettroni possono muoversi attraverso di esso, producendo un fattore di potenza più elevato, hanno detto gli scienziati. Il fattore di potenza determina la massima densità di potenza di raffreddamento ed è particolarmente importante nelle applicazioni di raffreddamento dell'elettronica.

"Ad esempio, nel raffreddamento del diodo laser, una quantità significativa di calore viene generata in un'area molto piccola e deve essere mantenuta a una temperatura specifica per garantire prestazioni ottimali del dispositivo", ha affermato Li. applicato. Ciò offre un futuro brillante per la gestione termica elevata a livello locale”.