突破低温极限：六阶段热电制冷器实现 130K 低温的卓越成果与应用潜力

本文聚焦热电制冷领域，通过优化材料和级联结构，研发出六阶段热电低温制冷器，能从室温冷却至 130K（Tcold,min）。此成果为超导等应用提供新方案，对推动热电制冷技术发展意义重大。

　　

热电制冷器的研究背景

在生命科学和健康医学领域，许多精密仪器如超导设备、量子计算装置等的运行，都依赖稳定的低温环境。例如，超导体的应用需要将温度控制在其临界温度（T_critical）以下，部分超导体的临界温度已提升至 134K（如 HgBa₂Ca₂Cu₃O₈）。传统的制冷方式，像使用液体制冷剂，需要频繁补充，会导致温度波动，增加维护成本；而基于往复机械部件的干冷技术，会产生振动，影响精密仪器的性能，如降低核磁共振信号质量。

热电制冷器（Thermoelectric Coolers）利用固体内部的电荷载流子作为工作介质，具有免维护、无噪音、高度可集成等优势，成为压缩机式制冷器的理想替代方案。它作为热泵，将热量从冷却对象传递到散热器。然而，热电制冷器的制冷能力受到材料品质因数（zT）的限制。已知材料在室温及以下，zT 很难达到 1。单级热电制冷器使用高性能材料时，从室温开始制冷，最低温度（T_cold,min）约为 230K。为了提高制冷能力，可采用多级结构，但现有多级热电制冷器从室温开始制冷，最低只能达到约 170K，这是因为相邻级之间的不可逆损失限制了其制冷潜力。

六阶段热电制冷器的设计与实现

为了突破现有制冷器的低温限制，研究团队基于热熵图（Tephigram）进行材料和结构设计，以提高多级热电制冷器的内可逆性（Endoreversibility）。具体来说，就是在材料和器件层面增强内可逆性，增加热电三角形的高度（对应更大的温差 ΔT_max），同时最小化它们的重叠（减少不可逆损失）。

研究团队采用了 n 型 BiSb 和 p 型商用 Bi₂Te₃基的 2 级制冷器作为冷端，与商用 4 级 Bi₂Te₃基制冷器级联，构建了 6 阶段金字塔形制冷器。Bi_0.85Sb_0.15单晶具有良好的质量，其晶体沿（00l）面解理，晶格参数符合 Vegard 定律，相均匀性好，位错密度低。虽然 BiSb 合金的热电性能各向异性，面外方向的 BiSb 合金zT 较高，但考虑到机械性能和可靠性，研究选择了面内 Bi_0.85Sb_0.15腿用于器件制造。

在器件制造过程中，研究团队优化了 n 型面内 Bi_0.85Sb_0.15和 p 型商用（Bi,Sb）₂Te₃腿的几何形状，选择镍（Ni）作为电极以降低接触电阻。最终制成的器件在低于 190K 的温度下，ZT 优于商用 Bi₂Te₃基制冷器。

制冷器性能评估

1. 单级制冷器性能：制造的 1 对单级制冷器的冷却性能测试结果显示，通过二次拟合可估算出最佳电流（I_opt）。基于I_opt和热端温度（T_hot）的关系，可估算出T_cold,min。由于接触界面、热传导和辐射的热损失，制造的单级制冷器实现了约 85% 的理论温差。在 120 - 160K 的工作温度范围内，最大冷却功率高于 1.5kW/m²。3 对制冷器作为 1 对制冷器的下级，能重现可比的 ΔT_max，确保了冷却性能的可重复性。
2. 多级制冷器性能：对于多级制冷器，随着温度降低，级联损失增加，内可逆性降低。为了实现更低的冷端温度，研究团队利用高性能 BiSb 作为 n 型热电腿，与 p 型商用（Bi,Sb）₂Te₃配对，增强了第五和第六级制冷器的冷却能力，并优化结构设计以最小化不可逆损失。通过单独优化每个级别的工作电流，6 阶段制冷器在优化条件下，从 300K 开始制冷，实现了创纪录的约 130K 的T_cold,min。

在十次热循环测试中，6 阶段制冷器表现出良好的稳定性，冷端温度在十次热循环中的降解小于 4%。该制冷器的冷却功率与最冷的 1 对制冷器相当，可评估其冷却功率和性能系数（COP）。在 260 - 300K 的宽热端温度范围内，在真空环境下测量的T_cold,min < 130K，展示了固态热电制冷在环境压力下高温超导应用的潜力。

研究团队还以 YBa₂Cu₃O₇（YBCO）超导体为例进行了演示。将 YBCO 超导体安装在单级 Bi_0.85Sb_0.15基制冷器上，制冷器在约 1.5 分钟内使超导体从 98K 开始发生超导转变，部分证明了热电制冷器在超导应用中的能力。

研究结论与展望

本研究基于热熵图的设计策略，成功开发出能从室温冷却至 130K 的 6 阶段热电制冷器，展示了全固态制冷器在高温超导等扩展低温应用中的潜力。该设计策略可根据不同应用场景的需求，有效指导制冷器的设计。

然而，要实现更低的温度仍面临挑战，主要源于热电性能的限制和热泄漏的增加。尽管如此，热电制冷器因其快速冷却能力、无振动运行和易于集成的结构，适用于各种对温度和振动敏感的仪器。本研究还揭示了热电制冷与传统制冷技术之间的共性问题，可能为更广泛的热管理系统的发展提供参考。未来，随着材料科学和制冷技术的不断进步，热电制冷器有望在更多领域得到应用和发展，为生命科学和健康医学等领域的精密仪器提供更稳定、高效的低温环境。