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Jun 21, 2023

Nuevo máximo

Imagen de Penn State: Los materiales Half-Heusler pueden proporcionar un aumento en la densidad de potencia de enfriamiento de dispositivos termoeléctricos y proporcionar una solución de enfriamiento para la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta potencia. ver más

Estado de Pensilvania

Imagen: Los materiales Half-Heusler pueden proporcionar un aumento en la densidad de potencia de enfriamiento de dispositivos termoeléctricos y proporcionar una solución de enfriamiento para la próxima generación de dispositivos electrónicos de alta potencia.ver más

Crédito: Cortesía de Wenjie Li

UNIVERSITY PARK, Pa. — La electrónica de próxima generación contará con componentes más pequeños y potentes que requieren nuevas soluciones de refrigeración. Un nuevo refrigerador termoeléctrico desarrollado por científicos de Penn State mejora en gran medida la potencia de enfriamiento y la eficiencia en comparación con las unidades termoeléctricas comerciales actuales y puede ayudar a controlar el calor en futuros dispositivos electrónicos de alta potencia, dijeron los investigadores.

"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. “Pudimos demostrar que este nuevo dispositivo no sólo puede ser competitivo en términos de medidas tecnoeconómicas, sino que también puede superar a los principales módulos de refrigeración termoeléctricos actuales. La nueva generación de electrónica se beneficiará de este desarrollo”.

Los refrigeradores termoeléctricos transfieren calor de un lado del dispositivo al otro cuando se aplica electricidad, creando un módulo con lados fríos y calientes. Colocar el lado frío en componentes electrónicos que generan calor, como diodos láser o microprocesadores, puede eliminar el exceso de calor y ayudar a controlar la temperatura. Pero a medida que esos componentes se vuelvan más potentes, los refrigeradores termoeléctricos también necesitarán bombear más calor, dijeron los científicos.

El nuevo dispositivo termoeléctrico mostró una mejora del 210% en la densidad de potencia de enfriamiento en comparación con el dispositivo comercial líder, hecho de telururo de bismuto, mientras mantiene potencialmente un coeficiente de rendimiento (COP) similar, o la relación entre enfriamiento útil y energía requerida, informaron los científicos. en Comunicaciones de la Naturaleza.

"Esto resuelve dos de los tres grandes desafíos en la fabricación de dispositivos de refrigeración termoeléctricos", afirmó Shashank Priya, vicepresidente de investigación de la Universidad de Minnesota y coautor del artículo. “En primer lugar, puede proporcionar una alta densidad de potencia de refrigeración con un COP elevado. Esto significa que una pequeña cantidad de electricidad puede bombear mucho calor. En segundo lugar, para un láser de alta potencia o aplicaciones que requieren eliminar una gran cantidad de calor localizado de un área pequeña, esta puede ser la solución óptima”.

El nuevo dispositivo está fabricado a partir de un compuesto de aleaciones mitad Heusler, una clase de materiales con propiedades especiales que resultan prometedores para aplicaciones energéticas como dispositivos termoeléctricos. Estos materiales ofrecen buena resistencia, estabilidad térmica y eficiencia.

Los investigadores utilizaron un proceso de recocido especial, que se ocupa de cómo se calientan y enfrían los materiales, que les permitió modificar y manipular la microestructura del material para eliminar defectos. Los científicos dijeron que no se había utilizado anteriormente para fabricar materiales termoeléctricos mitad Heusler.

El proceso de recocido también aumentó drásticamente el tamaño de grano del material, lo que dio lugar a menos límites de grano (áreas en un material donde se unen las estructuras cristalitas y que reducen la conductividad eléctrica o térmica).

"En general, el material medio Heusler tiene un tamaño de grano muy pequeño: un grano de tamaño nanométrico", dijo Wenjie Li, profesor asistente de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State. "A través de este proceso de recocido podemos controlar el crecimiento del grano desde la nanoescala a la microescala, una diferencia de tres órdenes de magnitud".

La reducción de los límites de los granos y otros defectos mejoró sustancialmente la movilidad del portador del material, o cómo los electrones pueden moverse a través de él, produciendo un factor de potencia más alto, dijeron los científicos. El factor de potencia determina la densidad máxima de potencia de refrigeración y es especialmente importante en aplicaciones de refrigeración electrónica.

"Por ejemplo, en el enfriamiento de diodos láser, se genera una cantidad significativa de calor en un área muy pequeña, y se debe mantener a una temperatura específica para el rendimiento óptimo del dispositivo", dijo Li, "Ahí es donde nuestra tecnología puede aprovecharse". aplicado. Esto tiene un futuro brillante para la alta gestión térmica local”.

Además del alto factor de potencia, los materiales produjeron la cifra promedio más alta de mérito o eficiencia de cualquier material medio Heusler en el rango de temperatura de 300 a 873 grados Kelvin (80 a 1,111 grados Fahrenheit). Los científicos dijeron que los resultados muestran una estrategia prometedora para optimizar materiales medio Heusler para aplicaciones termoeléctricas cercanas a temperatura ambiente.

"Como país, estamos invirtiendo mucho en la Ley CHIPS y Ciencia, y un problema podría ser cómo la microelectrónica puede manejar la alta densidad de potencia a medida que se hacen más pequeñas y operan a mayor potencia", dijo Poudel. "Esta tecnología puede abordar algunos de estos desafíos".

También contribuyeron Amin Nozariasbmarz, profesor asistente de investigación y Na Liu y Yu Zhang, académicos postdoctorales, Penn State; y Hangtian Zhu, profesor asociado del Instituto de Física de la Academia China de Ciencias de Beijing.

Los investigadores del proyecto contaron con el apoyo de subvenciones de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de la Oficina de Defensa, la Oficina de Investigación Naval, el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias y el Programa de Investigación de Pequeñas Empresas del Ejército.

Comunicaciones de la naturaleza

10.1038/s41467-023-38446-0

Estudio experimental

No aplica

Aleaciones Half-Heusler como materiales de enfriamiento termoeléctricos emergentes de alta densidad de potencia

6-jun-2023

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