来源 | Nature Communications

链接 | https://doi.org/10.1038/s41467-025-63174-y

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背景介绍

近年来，微电子、光子学和其他高密度电子系统的发展极大地提高了对高效紧凑型冷却解决方案的需求。传统的冷却方法，如基于风扇或液体冷却系统，由于其尺寸、噪声和被动冷却，通常不适用于微尺度应用。热电器件能够直接利用电能实现热量的定向传输，该固态制冷过程无需制冷剂且无机械振动。微型热电制冷器件凭借其高制冷功率密度和快速响应特性，在电子设备热管理领域展现出重要应用价值。目前，商用微型热电制冷器件主要基于碲化铋材料。与之相比，铋化镁基合金不仅具备优异的热电性能，还拥有出色的机械性能以及更低的原料成本。因此，开发基于铋化镁基材料的新型微型热电制冷器件，有望为热管理领域提供新的解决方案。

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成果掠影

近日，哈尔滨工业大学张倩、毛俊教授团队开发出铋化镁基微型热电制冷器件，在室温下实现了59.0开尔文（K）制冷温差和5.7瓦每平方厘米（W/cm²）的制冷功率密度以及65开尔文每秒（K/s）的高冷却速度。相较此前报道的铋化镁基热电制冷器件，该器件在室温下的制冷功率密度高达5.7瓦每平方厘米（W/cm²），提升幅度达3.5倍。该铋化镁基微型热电制冷器件可有效降低单片机中央处理器（CPU）的工作温度。在服役稳定性测试中，其历经270小时、约3000次1安培每平方毫米与3安培每平方毫米工作电流循环后，仍能保持98%的初始制冷性能，表现出优异的稳定性。该器件已应用于单片机的中央处理器，实现了温度有效降低。研究成果以“Miniaturized Mg₃Bi₂-based thermoelectric cooler for localized electronic thermal management”为题发表在《Nature Communications》期刊。

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图文导读

图1. 基于Mg₃Bi₂合金/(Bi, Sb)₂Te₃的热电冷却器计算性能。a 不同电接触电阻率下最大冷却温差与热电臂长度的关系。b 不同接触电阻率下最大冷却功率密度随热电臂长度的变化趋势。c 采用不同基板材料时最大冷却温差与热电臂长度的关系曲线。d 热端陶瓷基板温度随热电臂长度的变化关系。

图2. n型Mg₃.₂Bi₁.₄₉₇Sb₀.₅Te₀.₀₀₃热电臂的设计。a 热电臂结构示意图，包含预烧覆的AlN陶瓷板、Cu电极、Sn₄₂Bi₅₈焊料、溅射Cu层、Mg₂Ni接触层以及Mg₃Bi₂基材料。b 不同接触层厚度下，模拟最大温差随n型与p型热电臂横截面积比（An/Ap）的变化关系。c 不同接触层厚度下，模拟最大温差随热电臂长度的变化曲线。d Mg₃.₂Bi₁.₄₉₇Sb₀.₅Te₀.₀₀₃/Mg₂Ni/Cu薄膜/Sn-Bi焊料/Cu电极连接界面的扫描电子显微镜图像、相应能谱分析面扫描图及界面电接触电阻值。

图3. Mg₃.₂Bi₁.₄₉₇Sb₀.₅Te₀.₀₀₃/Bi₀.₄Sb₁.₆Te₃微型器件的热电冷却性能。a Mg₃.₂Bi₁.₄₉₇Sb₀.₅Te₀.₀₀₃/(Bi, Sb)₂Te₃冷却器性能表征测试装置示意图。b 热端温度分别为300K、325K和350K时，冷却温差与工作电流的变化关系。c 热端温度300K条件下，冷却功率与冷却温差的对应关系。d 不同冷却温差下冷却功率随工作电流的变化曲线。e 热端温度300K时制冷系数（COP）与工作电流的关系。f 不同Mg₃Bi₂基冷却器38,55,60的最大冷却功率密度对比。g 微型器件的循环冷却性能测试结果。

图4. Mg₃.₂Bi₁.₄₉₇Sb₀.₅Te₀.₀₀₃/Bi₀.₄Sb₁.₆Te₃微型热电冷却器与常规尺寸器件的瞬态冷却性能对比。(a) 瞬态冷却效果、(b) 冷却速度及(c) 时间常数的对比分析。(d) 微型冷却器在中央处理器（CPU）上实现的局部冷却效果演示。