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研究表明，热电技术可实现热能和电能之间的直接和可逆转换，包括废热回收和固态冷却。与发电相比，由于Peltier effect，热电冷却在精确控温、响应速度快、尺寸可控等方面具有应用优势。由于它主要用于温差较小的环境温度周围，因此在大温差下器件故障的问题不再是问题。

除了用于民用和工业领域外，热电冷却在5G通信和电子设备等关键领域的精确温度控制中也发挥着重要作用。高度集成化、小型化的通信技术和电路系统的发展以及对低功耗的迫切需求，对热电冷却的发展提出了更高的要求。

在此，北京航空航天大学赵立东教授等以“Moving fast makes for better cooling”为题在Science上发表观点性文章，作者认为从材料的角度来看，热电冷却技术需要接近室温的高效性能。

热电效率可以用无量纲品质因数ZT值表示，定义为ZT=S²σT/（κ_ele+κ_lat），其中 S，σ，T，κ_ele和κ_lat分别是塞贝克系数（热功率）、电导率、绝对温度以及电子和晶格热导率。热电冷却的关键参数，包括最大温差（ΔT.max）和性能系数（COP）在很大程度上取决于ZT值。遵循 E_g=6~10 k_BT的的选择规则。

然而，Bi₂Te₃的冷却性能停滞，力学性能差导致的加工产率低，以及低Te储量导致的资源消耗问题正在增加，这促使人们发现Bi的潜在替代品。因此，探索更多更好的热电冷却器对于全球对高性能电子设备发展的新兴需求至关重要。

发现不同的热电冷却器主要集中在改善具有固有低导热性的材料的电传输性能，这些进展具有重要的科学价值，但实际应用需要性能优化和可靠性验证。开发更好的冷却器的关键和第一个前提是提高室温附近的热电性能。在这个临界温度区域附近，热电传输更多地由电荷载流子散射而不是声子散射主导。

因此，专注于优化载流子迁移率（μ）对于增强电传输特性至关重要。以SnSe为例，与多晶相比，单晶SnSe在室温附近表现出超高导电性和金属传导行为，在载流子浓度和塞贝克系数水平相似的情况下，显示出在室温附近更好的热电冷却能力的巨大潜力。

除了探索全新系统上的热电冷却性能外，作者认为，通过提高载流子移动性的基本策略，提升更传统的热电材料的冷却能力非常重要。在大多数传统系统中，在~10¹⁹到10²¹ cm^-3的优化载流子浓度范围内，电传输也受到载流子-载流子散射的强烈影响。较少的载流子通常对应于较高的载流子迁移率，较低的载流子浓度通常伴随着较大的塞贝克系数，这有望促进更好的热电性能。为了避免额外的缺陷散射，同时通过诱导原子取代的额外点缺陷来降低载流子浓度，建议使用成分控制策略。在此基础上，调节内在缺陷的另一种方法是调整制备和合成程序，称之为过程控制。

从本质上讲，多晶的最高合成温度和退火过程以及晶体的冷却速率，对固有缺陷的数量和类型都有重大影响，这些缺陷可以作为n型的供体或p型的受体被激活。因此，将组合物与过程控制相结合，本文提出的这种网格设计策略有望通过调节固有缺陷来降低载流子浓度，从而实现超高的载流子迁移率和热电性能，特别是在接近室温时。因此，本文期望通过相似的成分实现p型和n型的最佳性能，这将为开发更好的热电冷却器奠定坚实的基础，特别是在热电设备设置过程中与接触材料的完美兼容性。

图1. 改善热电冷却

遵循这种组合过程控制的网格设计策略以能够载体的流动性，在更多的热电系统中可以期待更好的冷却性能。此外，重新审视更传统的热电材料，如PbTe或PbSe，可能具有更大的战略意义，因为我们重新思考并为热电冷却的发展开辟了一个不同的时代。此外，载波迁移率优化伴随着导电性的改善，从而实现更低的功耗，这对于热电冷却设备的实际应用至关重要，特别是在5G通信领域。

Bingchao Qin, Li-Dong Zhao, Moving fast makes for better cooling, 2022, Science,

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9645

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