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为解决全球制冷需求增长、传统蒸汽压缩系统体积大且不可扩展等问题，研究人员开展纳米工程超晶格薄膜热电材料研究。发现薄膜热电模块 ZT 值优于传统块体材料，系统级制冷 ZT 提升 70%，为固态制冷发展奠定基础。
在科技飞速发展的今天，制冷技术与人们的生活和工业生产紧密相连。然而，传统的蒸汽压缩制冷系统存在体积庞大、可扩展性差等问题，且使用的氢氟碳化合物（HFCs）类化学制冷剂作为温室气体（GHGs），其全球变暖潜能值（GWP）是二氧化碳（CO?）的 700 至 4000 倍，泄漏问题更是加剧了环境负担。随着全球制冷需求的不断增长，尤其是在家庭到医院环境中功率小于 100 瓦至几瓦的小型制冷系统需求日益增加，开发更紧凑、高效、环保的制冷技术迫在眉睫。
在此背景下，约翰霍普金斯大学应用物理实验室（JHUAPL）的研究人员开展了关于纳米工程薄膜热电材料实现实用固态制冷的研究。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为制冷技术的革新带来了新的希望。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长受控分层工程超晶格（CHESS）结构，包括 p 型 Bi?Te?/Sb?Te?材料体系和 n 型 Bi?Te?/Sb?,?Se?.?材料体系；通过透射电子显微镜（TEM）、高分辨率 X 射线衍射（XRD）等手段对材料结构进行表征；运用哈曼（Harman）方法测量热电器件的品质因数（ZT）；采用频率域热反射（FDTR）和时域热反射（TDTR）技术测量材料的热导率；将薄膜热电模块集成到制冷系统中进行制冷测试，并通过热流建模和实验测量评估系统性能。
结果
- 材料与器件性能
研究人员成功制备了 CHESS 结构的 p 型和 n 型薄膜材料。TEM 和 XRD 数据显示，材料具有良好的晶体取向和周期性结构，薄膜厚度均匀。通过对材料性能的测量发现，CHESS 薄膜材料的 ZT 值在 300K 时比传统块体热电材料高出 100% 以上，其中 p 型 CHESS 材料 ZT 值大于 2，n 型约为 2。这主要归因于 CHESS 材料较低的晶格热导率，而其电导率与块体材料相近。
在器件层面，单对 PN 结的 ZT 值高达 1.24，16 对耦合模块的 ZT 值为 1.18，54 对耦合模块的 ZT 值约为 0.91，均显著优于传统块体器件的 ZT 值。例如，16 对耦合的薄膜热电模块（TFTEC）的 ZT 值比市售块体模块高 78%。
制冷性能与系统级评估
制冷测试表明，薄膜热电模块在系统级制冷 ZT 方面表现出色。与传统块体热电模块相比，77 对耦合的 TFTEC 模块系统级 ZT 值达到 1.05，比 241 对耦合的块体 TEC 模块（系统级 ZT 约 0.62）提高了 70%。在低热负荷情况下，薄膜热电模块的性能系数（CoP）优势显著。例如，16 对耦合的 TFTEC 模块在温度差为 1.3°C 时，系统级 CoP 约为 15，仅用 80mW 的电功率即可泵送 1.2W 的热负荷，每对 PN 结的泵送热量更高，适用于分布式制冷和电子热管理。
可扩展性与稳定性
薄膜热电模块可通过微电子制造中常用的自动拾取和放置工具进行规模化制造，从几对耦合到 80 对耦合模块均能实现。振动测试（35Grms）和冲击测试（350Grms）表明，模块具有良好的稳定性，适用于空间发射、家庭和商业制冷等多种场景。
讨论
该研究首次证明了纳米工程薄膜热电材料在实用固态制冷中的可行性，将热电材料的进步转化为大规模、节能的实际应用。CHESS TFTEC 技术具有紧凑、高效、低材料消耗、可扩展等优点，有望实现无 HFCs、无 GWP 的制冷，符合环保要求。其在小型制冷单元（如 5W 制冷装置）中的应用潜力巨大，有助于提高整体系统的能源效率。
此外，该技术不仅适用于冰箱，还可广泛应用于热管理领域，如电子芯片冷却、数据服务器散热、便携式 HVAC 设备等。在医疗领域，可用于冷冻手术、低温治疗和仿生肢体的热感觉恢复等。
这项研究为固态制冷技术的发展奠定了重要基础，展示了纳米工程材料在实际应用中的巨大价值，是向高效、环保的先进制冷技术迈出的关键一步。未来，随着薄膜热电模块在封装、制造工艺和机器人集成方面的进一步改进，有望在家庭、医院、实验室、商业和工业制冷以及空间环境中实现长期稳定运行。
