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我国学者在深低温热电制冷研究领域取得新进展

2025/06/01

我国学者在深低温热电制冷研究领域取得新进展

图 (a)帕尔贴(Peltier)和(b)汤姆森(Thomson)热电制冷的示意图;(c)电子态相变引起的巨大Thomson效应;(d)深低温区热电器件的制冷性能提升

  在国家自然科学基金项目(批准号:T2125008)等资助下,同济大学裴艳中教授团队提出了一种不完全依赖于材料热电优值(ZT)的热电制冷性能提升新策略,使热电器件在深低温区的制冷性能获得了显著提升(图)。相关研究成果以“电子态相变助力高效汤姆森制冷(Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition)”为题,于2024年10月29日发表在《自然·材料》(Nature Materials)杂志上,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-024-02039-z。

  热电制冷系统以材料内部的电荷载流子作为工作介质,通过电场驱动电子运动发生熵变,引起吸热与放热,从而达到制冷的目的。由于电场代替了传统制冷系统中的机械传热机构,热电制冷是一种无振动、无排放、小型化的固态制冷技术。传统的热电制冷器件主要基于帕尔贴(Peltier)效应,其中电子的熵变发生在热电材料与电极材料的界面处,此时制冷性能的提升需要最大化热电优值ZT。然而,低温区高ZT热电材料十分稀缺,100 K以下的深低温热电制冷处于空白阶段。

  1850年代,开尔文爵士曾预言并验证材料体内的汤姆森(Thomson)热电效应,即电子的熵变发生在材料的内部。原则上,该效应可以额外贡献热电制冷,然而其在传统材料中十分微弱,因此长期被忽视。如何高效利用汤姆森效应是进一步提升热电制冷性能的关键。

  鉴于此,研究团队开发了一种基于YbInCu4新型热电材料的高效汤姆森热电制冷器。团队利用强关联体系中电子态的近藤相变,在电场的驱动下直接调控材料内部的电子熵变,实现了汤姆森式的泵热与制冷。在38 K下的深低温区,热电器件的制冷效果使环境温度下降了15%,实现了超过5K的稳定制冷温差。这一研究成果不仅为热电制冷技术性能提升提供了新策略,也为固态低温制冷应用开辟了新路径。


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