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研究背景

熱電材料是一種能夠直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，或反之進行制冷的材料，廣泛應(yīng)用于能源回收、制冷和溫度調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的熱電材料相比，近年來開發(fā)的新型材料如 YbInCu₄ 具備更高的熱電性能，例如更大的塞貝克系數(shù)和優(yōu)異的熱電優(yōu)值（ZT）。然而，傳統(tǒng)熱電材料通常存在湯姆遜效應(yīng)較小的問題，使得其在低溫下的冷卻效果受到限制，這給熱電冷卻器的高效應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。

成果簡介

為了解決這一問題，同濟大學裴艷中教授等人在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為“Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition”的最新論文。該團隊設(shè)計并制備了一種新型的熱電冷卻器，利用該材料中的電子相變，顯著提高了湯姆遜效應(yīng)的性能，實現(xiàn)了超過 5 K 的穩(wěn)定溫差（ΔT）在約 38 K 的環(huán)境溫度下。這一研究通過直接操控電荷載流子的熵變化，充分利用了材料內(nèi)部的熱電效應(yīng)，克服了傳統(tǒng)熱電材料在低溫下的性能不足。研究表明，YbInCu₄ 的溫度歸一化湯姆遜系數(shù)（τ/T）高達 10 μV K^–2，顯著提升了冷卻能力，成功獲得了較大 ΔT/Thot 值（約 15%），這與傳統(tǒng)佩爾帖冷卻器相當。

這項研究不僅為熱電冷卻技術(shù)的提升提供了新的思路，也為低溫固態(tài)冷卻應(yīng)用的拓展奠定了基礎(chǔ)，展示了新型熱電材料在未來應(yīng)用中的巨大潛力。

研究亮點

（1）實驗首次利用湯姆遜效應(yīng)，通過在 YbInCu₄ 中誘導電子相變，實現(xiàn)了增強的熱電冷卻效果，獲得了超過 5 K 的穩(wěn)定溫差（ΔT）在約 38 K 的環(huán)境溫度下。

（2）實驗通過直接操控電荷載流子的熵，顯著提高了溫度歸一化湯姆遜系數(shù)（τ/T = dα/dT）至 10 μV K^–2。這一進展表明，材料的相變可以有效提升湯姆遜效應(yīng)的貢獻，為傳統(tǒng)熱電冷卻器提供了一種新的優(yōu)化路徑。

（3）結(jié)果顯示，該裝置的 ΔT/Thot 值約為 15%，與傳統(tǒng)佩爾帖冷卻器的 20% 相當，并且在低溫環(huán)境下的性能顯著優(yōu)于當前最佳的 Bi1–xSbx 合金冷卻器。

圖文解讀

圖1：湯姆遜效應(yīng)增強熱電冷卻。

圖2：電子相變。

圖3：YbInCu₄ 的輸運特性。

圖4：冷卻性能。

結(jié)論展望

本文揭示了YbInCu₄在熱電冷卻領(lǐng)域的重要性，尤其是其通過電子相變引發(fā)的強湯姆遜效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)不僅提高了冷卻性能，還展示了材料設(shè)計在實現(xiàn)高效熱電器件中的潛力。

與傳統(tǒng)熱電材料相比，YbInCu₄在電子相變過程中表現(xiàn)出的顯著湯姆遜系數(shù)（約10 μV K^–2）為熱電冷卻技術(shù)的創(chuàng)新提供了新的思路。研究表明，利用具有強電子相互作用的材料，可以在更高溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)有效的冷卻，從而拓展了熱電材料的應(yīng)用前景。這一成果為開發(fā)新型高效冷卻器和推動熱電技術(shù)的進步提供了有力的理論支持和實驗基礎(chǔ)。

此外，本文強調(diào)了基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)之間的緊密聯(lián)系，鼓勵科學家們探索其他可能具有相似特性的材料，以實現(xiàn)更廣泛的熱電應(yīng)用，最終推動可持續(xù)冷卻技術(shù)的發(fā)展。這些啟示不僅對熱電材料的研究具有指導意義，也為新一代能源技術(shù)的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。

文獻信息

Chen, Z., Zhang, X., Zhang, S. et al. Demonstration of efficient Thomson cooler by electronic phase transition. Nat. Mater. (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/10/31/e70c7ca1ac/

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