Los materiales de Half-Heusler pueden aumentar la densidad de potencia de enfriamiento de los dispositivos termoeléctricos y proporcionar una solución de enfriamiento para la electrónica de alta potencia de próxima generación. Fuente: Wenjie Li
La electrónica de próxima generación contará con componentes más pequeños y potentes que requieren nuevas soluciones de refrigeración. Los investigadores dijeron que un nuevo enfriador termoeléctrico desarrollado por investigadores de Penn State mejora significativamente la potencia de enfriamiento y la eficiencia en comparación con las unidades termoeléctricas comerciales actuales y podría ayudar a controlar el calor en la electrónica de alta potencia del futuro.
“Nuestro nuevo material puede proporcionar dispositivos termoeléctricos con una densidad de potencia de enfriamiento muy alta”, dijo Bed Poudel, profesor de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State. “Hemos podido demostrar que este nuevo dispositivo no solo puede ser técnica y económicamente competitivo, sino que también supera a los módulos de refrigeración termoeléctricos líderes en la actualidad. La próxima generación de productos electrónicos se beneficiará de este desarrollo”.
Los enfriadores termoeléctricos transfieren calor de un lado del dispositivo al otro cuando se aplica corriente, creando un módulo con un lado frío y un lado caliente. Colocar el lado frío sobre componentes electrónicos que producen calor, como diodos láser o microprocesadores, puede disipar el exceso de calor y ayudar a controlar la temperatura. Pero a medida que estos componentes se fortalecen, los enfriadores termoeléctricos también necesitarán bombear más calor, dicen los investigadores.
Un nuevo dispositivo termoeléctrico mostró un aumento del 210 % en la densidad de potencia de enfriamiento en comparación con un dispositivo comercial líder hecho de telururo de bismuto, al mismo tiempo que mantiene potencialmente un coeficiente de rendimiento (COP) similar, la relación entre el enfriamiento útil y la energía requerida, informan los investigadores. comunicación de la naturaleza.
“Esto resuelve dos de los tres grandes desafíos en la creación de dispositivos de enfriamiento termoeléctricos”, dijo Shashank Priya, vicepresidente de investigación de la Universidad de Minnesota y coautor del artículo. “Primero, puede proporcionar una alta densidad de potencia de enfriamiento con un alto COP. Esto significa que una pequeña cantidad de electricidad puede bombear mucho calor. En segundo lugar, para láseres de alta potencia o aplicaciones que requieren que se elimine una gran cantidad de calor localizado de un área pequeña, esto puede proporcionar una solución óptima”.
El nuevo dispositivo está hecho de aleaciones semi-Heusler, una clase de materiales con propiedades especiales que son prometedoras para aplicaciones energéticas como los dispositivos termoeléctricos. Estos materiales proporcionan buena resistencia, estabilidad térmica y rendimiento.
Los investigadores utilizaron un proceso de recocido especial que se ocupa de cómo se calientan y enfrían los materiales, lo que les permite modificar y manipular la microestructura del material para eliminar los defectos. Los investigadores dijeron que no se había utilizado antes para fabricar materiales termoeléctricos de mediados de Heusler.
El proceso de recocido también aumentó significativamente el tamaño de grano del material, lo que generó menos límites de grano, áreas en el material donde se encuentran las estructuras cristalinas y que reducen la conductividad eléctrica o térmica.
“En general, un material de medio Heusler tiene un tamaño de grano muy pequeño, un grano de tamaño nanométrico”, dijo Wenjie Li, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Penn State. “Con este proceso de recocido, podemos controlar el crecimiento del grano desde la nanoescala hasta la microescala, una diferencia de tres órdenes de magnitud”.
Los investigadores dijeron que la reducción de los límites de grano y otros defectos aumentó significativamente la movilidad de los portadores del material, o la forma en que los electrones pueden moverse a través de él, lo que resulta en un factor de potencia más alto. El factor de potencia determina la densidad máxima de potencia de enfriamiento y es especialmente importante en las aplicaciones de enfriamiento de componentes electrónicos.
“Por ejemplo, cuando se enfría un diodo láser, se genera una cantidad significativa de calor en un área muy pequeña y debe mantenerse a una temperatura específica para garantizar un rendimiento óptimo del dispositivo”, dijo Li, “Aquí es donde nuestra tecnología podría ser . usado. Esto tiene un futuro brillante para la gestión local de altas temperaturas”.
Además de su alto factor de potencia, estos materiales produjeron el valor o eficiencia promedio más alto de cualquier material semi-Heusler en el rango de temperatura de 300 a 873 Kelvin (80 a 1111 grados Fahrenheit). los resultados muestran una estrategia prometedora para optimizar los materiales de Half-Heusler para aplicaciones termoeléctricas a temperatura ambiente.
“Como país, estamos invirtiendo mucho en CHIPS y la Ley de Ciencias, y uno de los problemas podría ser cómo la microelectrónica puede manejar densidades de alta potencia a medida que se hacen más pequeñas y funcionan con mayor potencia”, dijo Poudel. “Esta tecnología puede abordar algunos de estos desafíos”.
Más información:
Hangtian Zhu et al., Aleaciones Half-Heusler como materiales emergentes de enfriamiento termoeléctrico de alta densidad de potencia, comunicación de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38446-0