我国学者在深低温热电制冷研究领域取得新进展
2025/06/01
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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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