作者：網(wǎng)絡(luò)投稿 發(fā)布時(shí)間：2023-03-07 00:00 閱讀次數(shù)：131
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截止目前，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授趙立東團(tuán)隊(duì)，已在 Science主刊發(fā)表 8 篇論文。其聚焦于研發(fā)新型熱電制冷材料和器件，以解決現(xiàn)有熱電制冷材料 Bi2Te3 及其器件的功耗高、可加工性差、成本高、儲(chǔ)量稀少等問題，從而實(shí)現(xiàn)新材料的逐步取代。
這種材料要從兩個(gè)世紀(jì)之前說起。1821 年，德國(guó)物理學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克（Thomas Johann Seebeck）發(fā)現(xiàn)“第一熱電效應(yīng)”，也叫“塞貝克效應(yīng)”。歷經(jīng) 200 多年的發(fā)展，在如今的新能源材料領(lǐng)域里，熱電研究已成為一個(gè)重要分支。
在熱能與電能之間，熱電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)直接、且可逆的相互轉(zhuǎn)換。塞貝克效應(yīng)是指——在材料兩端存在溫差的情況下，溫差可以驅(qū)動(dòng)內(nèi)部載流子進(jìn)行定向移動(dòng)，從而以對(duì)外負(fù)載的形式實(shí)現(xiàn)電能輸出。在多個(gè)領(lǐng)域里，溫差發(fā)電技術(shù)都有著廣泛應(yīng)用。
其中，作為深空探測(cè)和航天探測(cè)的關(guān)鍵電源技術(shù)，在航天航空、國(guó)防與軍工等方面，熱電技術(shù)是必不可少的。在工業(yè)廢熱回收、汽車尾氣收集再利用、人體體熱收集發(fā)電等方面，熱電技術(shù)也具有重要價(jià)值。
熱電制冷，則指材料在通入電流時(shí)，電流會(huì)驅(qū)動(dòng)載流子進(jìn)行定向遷移，從而在不同 P/N 型材料的結(jié)節(jié)處，引起吸熱/放熱的效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)通電制冷和溫度控制。
憑借獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，熱電制冷在 5G 通信光模塊、光纖激光器、醫(yī)療器械等關(guān)鍵領(lǐng)域的精確溫度控制上，成為了唯一的解決方案。
在“雙碳”背景下，通過開發(fā)新型固態(tài)制冷技術(shù)，以取代傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷，是領(lǐng)域內(nèi)的當(dāng)務(wù)之急。在這一過程中，熱電制冷技術(shù)必不可少。
當(dāng)前，碲化鉍（Bi2Te3）是唯一一個(gè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用的熱電制冷材料，該材料中的 Te 元素儲(chǔ)量極低，只有 0.005ppm。
因此，熱電制冷器件的產(chǎn)量非常小，再加上碲化鉍的可加工性差、良品率低、器件運(yùn)行功耗高，造成了嚴(yán)重的供需矛盾。所以，亟需開發(fā)新型的熱電制冷材料。
北航團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)寬帶隙 SnSe 晶體的熱電器件
近年來，趙立東團(tuán)隊(duì)專攻新型熱電材料的研發(fā)，曾開發(fā)以 SnSe/SnS 為代表的一系列新型熱電材料，并致力于推動(dòng)熱電器件開發(fā)與應(yīng)用。
近期，課題組在 Science 發(fā)表一篇觀點(diǎn)論文 [1]，也是對(duì)此前另一篇 Science 論文的繼承和擴(kuò)充 [2]。
2021 年，他們發(fā)現(xiàn)、并促進(jìn)了 SnSe 材料的多個(gè)價(jià)帶在動(dòng)量空間和能量空間的協(xié)同效應(yīng)，借此讓材料的寬溫域、尤其是近室溫的熱電性能得到大幅提升。基于此，該團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)了寬帶隙 SnSe 晶體的熱電器件。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Science）
相關(guān)論文題為《Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments》（通過動(dòng)量和能量空間多能帶對(duì)齊實(shí)現(xiàn)發(fā)電和熱電制冷），該團(tuán)隊(duì)的博士生秦炳超是第一作者，通訊作者分別是趙立東和南方科技大學(xué)物理系教授何佳清。
圖 | 秦炳超（來源：秦炳超）
傳統(tǒng)熱電研究理論認(rèn)為，只有窄帶隙半導(dǎo)體、或零帶隙的半金屬材料，才能成為潛在的熱電制冷材料。
因此，新型寬帶隙 SnSe 熱電制冷材料的開發(fā)，在一定程度上顛覆了領(lǐng)域內(nèi)的以往認(rèn)知。同時(shí)，著眼于熱電材料中的載流子遷移率優(yōu)化，課題組又于近期提出利用“更快遷移的載流子助力更優(yōu)的熱電制冷材料”的觀點(diǎn)，并凝練出一種另辟蹊徑的研究思路：基于“柵格化”策略，來優(yōu)化載流子遷移率，借此開發(fā)高效的熱電制冷材料。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Science）
簡(jiǎn)要來說，“柵格化”策略是通過微調(diào)材料成分、以及控制制備工藝，來調(diào)整材料的本征缺陷和載流子濃度，借此實(shí)現(xiàn)超高的載流子遷移率、以及近室溫的熱電性能，從而開發(fā)更多的熱電制冷性能。
“柵格化”策略，雖可視為是對(duì)熱電領(lǐng)域已有策略的總結(jié)，但是針對(duì)同一體系中高性能的 P 型和 N 型材料，通過開發(fā)更多傳統(tǒng)熱電材料體系的制冷性能、以及降低熱電制冷器件的運(yùn)行功耗等，有望優(yōu)化熱電材料及其器件的多個(gè)研發(fā)環(huán)節(jié)，大幅節(jié)約電子器件控溫和運(yùn)行中的能源消耗。
此外，對(duì)于熱電制冷器件在 5G 等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，“柵格化”策略也將起到關(guān)鍵作用。
概括來說，作為一種新型的固態(tài)制冷技術(shù)，熱電制冷具有控溫精度高、響應(yīng)速度快、可靠性高、尺寸可控、無傳動(dòng)部件等特點(diǎn)，具備精準(zhǔn)控溫和靶向控溫的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在通信和集成電路電子技術(shù)中有著不可替代的關(guān)鍵應(yīng)用，而在新能源汽車、醫(yī)療器械、民用生活等領(lǐng)域同樣可被廣泛應(yīng)用。
圖 | SnSe 基新型熱電制冷器件（來源：Science）
深度耕耘之后的“意外之喜”
事實(shí)上，能實(shí)現(xiàn)寬帶隙 SnSe 材料的熱電制冷性能，也是課題組深度耕耘之后的“意外之喜”。
SnSe，是一種層狀寬帶隙的熱電材料。因此在研究中，該團(tuán)隊(duì)首要的努力方向，是開發(fā)寬溫域的高效熱電性能。為此，他們通過激發(fā)多能帶參與電傳輸 [3]、以及引入外部缺陷提高載流子濃度和有效質(zhì)量 [4] 等方法，對(duì)材料的寬溫域熱電性能予以優(yōu)化。
進(jìn)一步地，通過引入“加權(quán)遷移率”的概念，課題組在理論上評(píng)估和預(yù)測(cè)了 P 型 SnSe 晶體熱電性能的潛力，并指出利用材料的復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化的關(guān)鍵。
因此，通過同步輻射實(shí)驗(yàn)、再結(jié)合理論計(jì)算，他們系統(tǒng)地研究了材料的復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)、及其隨溫度的動(dòng)態(tài)演變過程。
并在動(dòng)量空間和能量空間里，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)價(jià)帶的協(xié)同對(duì)齊效應(yīng)，借此大幅優(yōu)化了材料的寬溫域性能，讓 300-773K 的平均熱電優(yōu)值達(dá)到 1.90 左右，一度曾是領(lǐng)域內(nèi)的最高值。
圖 | 動(dòng)量空間和能量空間多價(jià)帶協(xié)同效應(yīng)優(yōu)化 SnSe 晶體熱電性能（來源：Science）
與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)偶然發(fā)現(xiàn)，材料在室溫附近的熱電優(yōu)值可達(dá) 1.0 以上，這基本達(dá)到了 P 型碲化鉍材料的水平。所以，他們考慮能否在材料的熱電制冷性能上有所突破。
以此為指引，課題組著手研發(fā) SnSe 基熱電制冷器件，并最終在寬帶隙 SnSe 中實(shí)現(xiàn)了一定的熱電制冷性能。
這一成果也促使他們繼續(xù)思考：為什么寬帶隙的 SnSe 能被發(fā)展成熱電制冷材料？近室溫優(yōu)異熱電性能的來源是什么？
基于上述思考，通過生長(zhǎng)單晶的方式，該團(tuán)隊(duì)利用晶體材料的高遷移率特性，避免了寬帶隙材料導(dǎo)電性較差的弱點(diǎn)。
同時(shí)，他們認(rèn)為改善層狀寬帶隙材料的層內(nèi)遷移率，對(duì)于提升寬溫域、尤其是近室溫?zé)犭娦阅芊浅Ｖ匾?/p>
課題組還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于很多傳統(tǒng)中高溫?zé)犭姴牧象w系如 PbTe/Se 等，遷移率的優(yōu)化同樣需要引起重視。
所以，他們從 PbTe/Se 兩種熱電材料中的微結(jié)構(gòu)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)了其中的納米結(jié)構(gòu)和亞納米結(jié)構(gòu)的不同作用。
基于載流子傳輸和遷移率的不同影響，其還揭示出如下規(guī)律：對(duì)于兩類熱電材料中的高載流子遷移率和近室溫高熱電性能，亞納米結(jié)構(gòu)可以帶來促進(jìn)作用 [6]。
這讓課題組對(duì)于熱電材料中載流子遷移率優(yōu)化的重要地位，也有了更深刻的認(rèn)識(shí)，于是他們?cè)凇督饘賹W(xué)報(bào)》上撰文，從晶體缺陷調(diào)控和熱電耦合參數(shù)調(diào)控兩個(gè)角度，對(duì)提高熱電材料載流子遷移率的方法策略，進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理 [7]。
隨后，又從載流子散射的角度，在更低載流子濃度下，對(duì)于獲得超高遷移率和近室溫?zé)犭娦阅艿目赡苄约右苑治?[8]。
圖 | 低載流子濃度下潛在的高熱電性能（來源：Materials Lab）
基于這些探索，他們提出使用“更快遷移的載流子助力更優(yōu)熱電制冷材料”的觀點(diǎn)，并通過“柵格化”策略來優(yōu)化載流子遷移率，借此開發(fā)高效的熱電制冷材料。
將在車載激光雷達(dá)領(lǐng)域得到普及
另據(jù)悉，在課題組的努力之下，這種熱電制冷材料還有望兼具高熱電性能、寬溫域和良好可加工等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)器件功耗也將被降低。屆時(shí)，將帶來更多的潛在應(yīng)用。
在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，以激光雷達(dá)等傳感器為核心的自動(dòng)駕駛感知方案，是實(shí)現(xiàn)高階自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。
在保證探測(cè)范圍、分辨率、抗干擾性和可靠性的同時(shí)，激光雷達(dá)還面臨與通信光模塊相同的散熱挑戰(zhàn)。
有研究表示，預(yù)計(jì) 2025 年全球自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模將增至 46 億美元。而熱電制冷材料的發(fā)展，也有望帶動(dòng)熱電制冷技術(shù)在車載激光雷達(dá)的普及。
在通信領(lǐng)域，熱電制冷可被廣泛應(yīng)用于骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心和無線領(lǐng)域等，尤其適用于中長(zhǎng)距離或高速光模塊的精準(zhǔn)控溫，以及在較寬的工作溫度范圍內(nèi)帶來穩(wěn)定的激光器波長(zhǎng)和輸出光功率。
當(dāng)前，光模塊正朝著高速率小型化的方向發(fā)展，而微型熱電制冷器件是實(shí)現(xiàn)光模塊精準(zhǔn)控溫的唯一途徑。預(yù)計(jì)未來 5-10 年，其市場(chǎng)將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。
2023 年，課題組仍將致力于開發(fā)高性能的 SnSe 基熱電制冷器件，使其制冷性能逐步實(shí)現(xiàn)趕超現(xiàn)有 Bi2Te3 制冷器件的水平。
具體來說，他們?nèi)詫⒕劢褂?SnSe 晶體層內(nèi)遷移率的提升。過往研究表明，P 型摻雜的 SnSe 晶體中存在大量的本征缺陷，比如 Sn 空位、Se 間隙原子和 SnSe2微團(tuán)簇等。
未來，該團(tuán)隊(duì)將以“柵格化”策略為指引，對(duì)材料內(nèi)部缺陷種類和濃度開展一系列的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)材料近室溫性能、尤其是電性能的進(jìn)一步優(yōu)化，以及提升器件的制冷性能。
其次，對(duì)于開發(fā)更多的新型熱電制冷材料來說，“柵格化”策略能提供一種很好的研究思路。
課題組將同樣以此為指引，以 PbSe 等傳統(tǒng)中高溫?zé)犭姴牧象w系為重點(diǎn)，通過調(diào)控材料內(nèi)部 Pb 空位/Pb 過量的濃度，挖掘此類材料的熱電制冷性能，為未來的熱電制冷器件的應(yīng)用，提供更多變革性新材料，從而取代現(xiàn)有的 Bi2Te3。
圖 |“柵格化”策略助力實(shí)現(xiàn)更優(yōu)熱電制冷（來源：Science）
研究人員補(bǔ)充稱，其所提出的“柵格化”策略，本質(zhì)是對(duì)材料成分和制備工藝兩個(gè)方面進(jìn)行微調(diào)，以人為的方式控制材料內(nèi)部的缺陷種類和濃度，最終實(shí)現(xiàn)材料載流子遷移率和近室溫?zé)犭娦阅艿淖顑?yōu)化。
實(shí)際上，針對(duì)以上兩個(gè)方面的相關(guān)策略，在熱電研究中并不罕見。然而，具體到不同材料體系、以及不同的 P/N 類型，仍需開展大量的實(shí)驗(yàn)研究。
課題組還表示：“衷心希望我們提出的這種策略，能被更多業(yè)內(nèi)人士采納和嘗試，共同推動(dòng)熱電制冷材料的研發(fā)。”
參考資料：
1.Science, 2022, 378 (6622) 832
2.Science, 2021, 373 (6554) 556
3.Science, 2016, 351 (6269) 141
4.J. Am. Chem. Soc., 2019, 141 (2) 1141
5.J. Am. Chem. Soc., 2020, 142 (12) 5901
6.APL Mater., 2020, 8 (1) 010901
7.Acta Metall Sin, 2021, 57 (9) 1171
8.Mater. Lab, 2022, 1 (1) 220004
非常有前途。
首先你要知道華中科技大學(xué)是國(guó)內(nèi)最出名的高校之一。該學(xué)校的光通信在專業(yè)排名位居全國(guó)前列。華為等高新技術(shù)企業(yè)都到該校去招聘光通信方面的學(xué)生。
第二， 光通信模塊也是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和國(guó)家重點(diǎn)支持發(fā)展的方向之一。
以上就是關(guān)于杭州光通信模塊外殼,北航團(tuán)隊(duì)制備新型熱電制冷材料的知識(shí)，后面我們會(huì)繼續(xù)為大家整理關(guān)于杭州光通信模塊外殼的知識(shí)，希望能夠幫助到大家！