能夠隨時主動降溫到低于環(huán)境溫度，而不僅僅是散熱，是現(xiàn)代世界的標(biāo)志之一。

仔細(xì)想想，這三個字關(guān)于制冷影響的簡單闡述中蘊含了許多真理和洞見。追求更好的主動冷卻包括利用流體壓縮/膨脹的機械驅(qū)動系統(tǒng)、固態(tài)熱電冷卻器（TEC，如佩爾帖器件）以及其他利用各種熱物理原理的裝置。

新型固態(tài)熱電制冷系統(tǒng)

現(xiàn)在，約翰斯·霍普金斯應(yīng)用物理實驗室（APL）的研究人員與三星研究院生命解決方案團(tuán)隊合作，創(chuàng)造了一種新的固態(tài)熱電制冷系統(tǒng)：其效率是使用標(biāo)準(zhǔn)散裝熱電材料的兩倍，且被認(rèn)為制造簡單。這些成果得益于APL開發(fā)的高性能納米工程熱電材料，即受控分層工程超晶格結(jié)構(gòu)（CHESS）。

散裝熱電材料并非新鮮事物——它們已被應(yīng)用于小型產(chǎn)品，如迷你冰箱、局部組件冷卻或光收發(fā)器溫度管理。然而，其低效率、有限的傳熱能力以及與半導(dǎo)體芯片制造的兼容性不足，限制了其在更大、高性能應(yīng)用中的應(yīng)用。

利用CHESS薄膜材料

他們在p型Bi2Te3/Sb2Te3材料系統(tǒng)和n型Bi-2Te 3/Sb 2Se0.3材料系統(tǒng)中，采用了金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）生長的CHESS（見圖1）。

1. （a， b） P型和N型材料中CHESS結(jié)構(gòu)示意圖;（c） TEM截面數(shù)據(jù)示例;（d） 高分辨率的 XRD 數(shù)據(jù)，顯示 （0015） 反射，顯示 CHESS 周期性與透射電子元件（TEM）匹配;以及更寬的 2?-ω 掃描（30–70°）嵌入，顯示外延薄膜的 C 平面取向。

研究人員與三星團(tuán)隊合作，在同一商業(yè)冰箱測試系統(tǒng)中，比較了使用傳統(tǒng)散裝熱電材料的制冷模塊與使用CHESS薄膜材料的制冷模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)制冷測試。

他們通過量化熱載荷和熱阻參數(shù)驗證了熱模型，以確保在實際條件下的性能評估準(zhǔn)確。他們的目標(biāo)不僅是評估“芯片”層面的性能，還要考慮在模塊級冷卻層面應(yīng)用這些器件。

利用CHESS材料，APL團(tuán)隊在室溫（約80°F/25°C）下，效率幾乎提升了100%，相較傳統(tǒng)熱電材料（見圖2）。

2. 特寫CHESS熱電裝置上的測試和結(jié)冰過程。

他們將這些材料層面的提升轉(zhuǎn)化為使用CHESS材料制造的熱電模塊器件層面效率提升近75%，以及全集成制冷系統(tǒng)效率提升70%（見圖3）。每一種都比最先進(jìn)的散裝熱電裝置有了顯著提升。

3. （a） 從冰箱六面考慮熱量流入制冷系統(tǒng);（b）用于計算制冷機組每面熱負(fù)荷的熱電路;（c）通過絕緣墻的定性溫度分布;（d-g）TFTEC模塊集成到制冷系統(tǒng)的詳細(xì)信息。

這些熱電材料的優(yōu)點指數(shù)（ZT）比傳統(tǒng)散裝材料（約300K）好100%。他們還展示了模塊級的ZT超過75%，以及系統(tǒng)級制冷的ZT比散裝設(shè)備優(yōu)70%。這些薄膜熱電模塊的性能系數(shù)比散裝器件高出100%至300%，具體取決于具體作場景（見圖4）。

4. 來自（a）三星提供的散裝TEC模塊（含241對）和（b， c）兩個80對和77對TFTEC模范模塊的制冷數(shù)據(jù)。

CHESS方法的制造優(yōu)勢

從制造角度來看，CHESS方法也非常有吸引力。首先，薄膜技術(shù)僅使用0.003立方厘米的制冷單元。這意味著APL的熱電材料可以配合半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)工具批量生產(chǎn)，提升成本效益并實現(xiàn)廣泛市場采納。

此外，CHESS材料采用了成熟的MOCVD工藝，該工藝以其可擴展性、成本效益高以及支持大規(guī)模生產(chǎn)能力著稱。