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Jun 21, 2023

Neuer Höchststand

Bild von Penn State: Half-Heusler-Materialien können die Kühlleistungsdichte thermoelektrischer Geräte steigern und eine Kühllösung für die nächste Generation von Hochleistungselektronik bieten. mehr sehen

Penn State

Bild: Halb-Heusler-Materialien können die Kühlleistungsdichte thermoelektrischer Geräte steigern und eine Kühllösung für die nächste Generation von Hochleistungselektronik bieten.mehr sehen

Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Wenjie Li

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Die Elektronik der nächsten Generation wird über kleinere und leistungsstärkere Komponenten verfügen, die neue Lösungen für die Kühlung erfordern. Ein neuer thermoelektrischer Kühler, der von Wissenschaftlern der Penn State entwickelt wurde, verbessert die Kühlleistung und -effizienz im Vergleich zu aktuellen kommerziellen thermoelektrischen Einheiten erheblich und könnte dabei helfen, die Wärme in zukünftigen Hochleistungselektronikgeräten zu kontrollieren, sagten die Forscher.

„Unser neues Material kann thermoelektrische Geräte mit einer sehr hohen Kühlleistungsdichte bereitstellen“, sagte Bed Poudel, Forschungsprofessor am Department of Materials Science and Engineering der Penn State. „Wir konnten zeigen, dass dieses neue Gerät nicht nur hinsichtlich technoökonomischer Maßnahmen konkurrenzfähig sein kann, sondern auch die derzeit führenden thermoelektrischen Kühlmodule übertrifft. Die neue Elektronikgeneration wird von dieser Entwicklung profitieren.“

Thermoelektrische Kühler übertragen die Wärme von einer Seite des Geräts auf die andere, wenn Strom angelegt wird, wodurch ein Modul mit kalten und heißen Seiten entsteht. Durch das Anbringen der kalten Seite an elektronischen Bauteilen, die Wärme erzeugen, wie etwa Laserdioden oder Mikroprozessoren, kann die überschüssige Wärme abgepumpt und die Temperatur reguliert werden. Da diese Komponenten jedoch leistungsfähiger werden, müssen thermoelektrische Kühler auch mehr Wärme pumpen, sagten die Wissenschaftler.

Das neue thermoelektrische Gerät zeigte eine um 210 % höhere Kühlleistungsdichte im Vergleich zum führenden kommerziellen Gerät aus Wismuttellurid und behält möglicherweise einen ähnlichen Leistungskoeffizienten (COP) oder das Verhältnis von nützlicher Kühlung zu benötigter Energie bei, berichteten die Wissenschaftler in Naturkommunikation.

„Damit werden zwei der drei großen Herausforderungen bei der Herstellung thermoelektrischer Kühlgeräte gelöst“, sagte Shashank Priya, Vizepräsident für Forschung an der University of Minnesota und Mitautor des Papiers. „Erstens kann es eine hohe Kühlleistungsdichte mit einem hohen COP bieten. Das bedeutet, dass eine kleine Menge Strom viel Wärme pumpen kann. Zweitens kann dies die optimale Lösung für einen Hochleistungslaser oder Anwendungen sein, bei denen viel lokale Wärme aus einem kleinen Bereich abgeführt werden muss.“

Das neue Gerät besteht aus einer Verbindung von Halb-Heusler-Legierungen, einer Materialklasse mit besonderen Eigenschaften, die für Energieanwendungen wie thermoelektrische Geräte vielversprechend sind. Diese Materialien bieten eine gute Festigkeit, thermische Stabilität und Effizienz.

Die Forscher nutzten einen speziellen Glühprozess – der sich mit der Art und Weise befasst, wie Materialien erhitzt und abgekühlt werden –, der es ihnen ermöglichte, die Mikrostruktur des Materials zu modifizieren und zu manipulieren, um Defekte zu beseitigen. Bisher sei es noch nicht zur Herstellung thermoelektrischer Halb-Heusler-Materialien verwendet worden, sagten die Wissenschaftler.

Durch den Glühprozess vergrößerte sich auch die Korngröße des Materials dramatisch, was zu weniger Korngrenzen führte – Bereiche in einem Material, in denen Kristallitstrukturen aufeinander treffen und die die elektrische oder thermische Leitfähigkeit verringern.

„Im Allgemeinen hat Halb-Heusler-Material eine sehr kleine Korngröße – Körner in Nanogröße“, sagte Wenjie Li, Assistenzprofessor am Department of Materials Science and Engineering der Penn State. „Durch diesen Glühprozess können wir das Kornwachstum vom Nanomaßstab bis zum Mikromaßstab steuern – ein Unterschied von drei Größenordnungen.“

Durch die Reduzierung der Korngrenzen und anderer Defekte wurde die Trägermobilität des Materials oder die Art und Weise, wie sich Elektronen durch das Material bewegen können, erheblich verbessert, was zu einem höheren Leistungsfaktor führte, sagten die Wissenschaftler. Der Leistungsfaktor bestimmt die maximale Kühlleistungsdichte und ist besonders wichtig bei Anwendungen zur Elektronikkühlung.

„Zum Beispiel wird bei der Laserdiodenkühlung eine beträchtliche Wärmemenge in einem sehr kleinen Bereich erzeugt und diese muss auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden, um die optimale Leistung des Geräts zu gewährleisten“, sagte Li. „Hier kann unsere Technologie eingesetzt werden.“ angewandt. Dies hat eine große Zukunft für das lokale Hochtemperaturmanagement.“

Zusätzlich zum hohen Leistungsfaktor erzielten die Materialien im Temperaturbereich von 300 bis 873 Grad Kelvin (80 bis 1.111 Grad Fahrenheit) den höchsten durchschnittlichen Gütewert oder Wirkungsgrad aller Halb-Heusler-Materialien. Die Wissenschaftler gaben die Ergebnisse bekannt zeigen eine vielversprechende Strategie zur Optimierung von Halb-Heusler-Materialien für thermoelektrische Anwendungen nahe Raumtemperatur.

„Als Land investieren wir viel in das CHIPS- und Wissenschaftsgesetz, und ein Problem könnte sein, wie die Mikroelektronik mit der hohen Leistungsdichte umgehen kann, wenn sie kleiner wird und mit höherer Leistung arbeitet“, sagte Poudel. „Diese Technologie könnte möglicherweise einige dieser Herausforderungen bewältigen.“

Weitere Beiträge leisteten Amin Nozariasbmarz, Assistenzprofessor für Forschung, sowie Na Liu und Yu Zhang, Postdoktoranden, Penn State; und Hangtian Zhu, außerordentlicher Professor, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking.

Die Forscher des Projekts wurden durch Zuschüsse der Office of Defense Advanced Research Projects Agency, des Office of Naval Research, des US-Energieministeriums, der National Science Foundation und des Army Small Business Research Program unterstützt.

Naturkommunikation

10.1038/s41467-023-38446-0

Experimentelle Studie

Unzutreffend

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