纳米新材料引领半导体制冷技术新突破
纳米新材料引领半导体制冷技术新突破
2024年3月，北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授课题组在《Science》杂志发表重要研究成果，提出了一种名为"栅格素化"的新概念，通过调控N型PbSe晶体中的本征缺陷，成功实现了载流子迁移率的显著提升。基于这一创新，制备的热电器件在室温下实现了73.3K的最大制冷温差，这一性能指标已经超越了目前商用的Bi2Te3基材料。这一突破性进展不仅展示了纳米新材料在半导体制冷领域的巨大潜力，也为未来绿色节能制冷技术的发展开辟了新的方向。
纳米新材料的突破：从基础研究到性能提升
热电材料是一种能够实现热能与电能相互转换的新型材料，其在发电和制冷方面的应用潜力巨大。近年来，锡硒化物（SnSe）作为一种狭带隙半导体，因其意外的高热电效率而引起广泛关注。赵立东教授课题组通过多年研究发现，SnSe的优异特性主要源于其低热导率和高载流子迁移率。这一发现推动了大量后续研究，深入探讨了SnSe的热传输机制，包括多电子带的协同作用、三维电荷和二维声子传输等。
在最新研究中，课题组进一步提出了"栅格化"策略和"晶格素化"概念。通过物理气相沉积（PVD）生长晶体的方法制备高质量的PbSe晶体，并在PbSe晶体中引入微量的Pb，填补本征Pb空位，削弱点缺陷散射，从而显著提升载流子迁移率。实验结果显示，在室温下实现了52 μW cm-1 K-2的超高电传输性能，以及室温ZT值0.9和平均ZT值~1.4（300-673K），表明N型PbSe晶体在发电和制冷两个关键领域都具有巨大潜力。
商业化前景：市场需求与技术挑战
尽管在实验室规模下，新型热电材料展现出卓越的性能，但在器件构建和工业应用中仍面临诸多挑战。根据市场调研机构QYResearch的最新报告，2022年中国半导体制冷片（TEC）市场规模已达11.39亿元，广泛应用于电子电器、通信、医疗、汽车等多个领域。预计未来几年，随着技术的不断进步，市场规模将持续增长。
然而，要实现商业化应用，还需要解决一系列技术难题。例如，SnSe等新型材料虽然性能优异，但存在机械强度差、加工难度高等问题。此外，如何实现稳定可靠的低电阻接触，以承受高温而不降解，也是优化器件效率和服务稳定性的重要课题。研究者们正在探索各种解决方案，包括纳米银烧结、激光涂层、扩散焊接等新技术，以期突破这些瓶颈。
未来展望：绿色节能的制冷革命
随着全球对能源危机和环境变化的关注日益增加，绿色节能的制冷技术已成为研究热点。纳米新材料在半导体制冷领域的应用，不仅能够实现更高效的能量转换，还具有控温精准、尺寸灵活、结构多样等优势，特别适合在精确制导、传感器、5G光模块等关键领域应用。
未来，随着研究的不断深入和技术的持续创新，纳米新材料有望引领半导体制冷技术进入一个全新的发展阶段。这不仅将推动相关产业的快速发展，更为实现可持续发展的绿色能源目标提供了新的可能。