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應用物理實驗室的研究人員開發出名為CHESS的新型材料，可顯著提升熱電制冷裝置的效率。這項突破性成果使材料在室溫下的性能幾乎達到傳統材料的兩倍，有望催生更高效的制冷系統和節能技術。圖片來源：約翰霍普金斯大學應用物理實驗室/埃德·惠特曼

據悉，APL 的 CHESS 薄膜制冷系統不僅制造工藝簡單，而且效率是傳統大宗熱電材料設備的兩倍。隨著全球對緊湊、可靠且高能效冷卻技術需求的不斷增長，這項研發成果為取代傳統壓縮機制冷提供了有前景的替代選擇。

在最新發表的研究中，APL 的團隊聯合三星研究所的制冷工程專家，通過高性能納米工程熱電材料“分級超晶格結構（CHESS）”，顯著提升了制冷效率和冷卻能力。該平臺是APL在高端納米工程熱電材料及其應用領域長達十年研究的結晶。最初“CHESS”材料為國家安全需求開發，此后拓展至假體非侵入式冷卻等領域，并于2023年獲得R&D 100大獎。

對基于CHESS技術的熱電裝置進行測試及冰層堆積的近距離觀察。該測試系統有助于評估新型材料將電能轉化為制冷能的效率，為更高效的制冷與能量收集技術鋪平道路。圖片來源：約翰霍普金斯大學應用物理實驗室/埃德·惠特曼

研究人員在實驗中，將由傳統熱電材料和CHESS薄膜材料組成的制冷模塊進行對比，并在商業冰箱測試系統中測量不同冷卻水平下的電力消耗。結果顯示，APL 團隊利用 CHESS 材料，在室溫下效率幾乎提升了100%；在設備層面，采用此材料的熱電模塊效率提升約75%；而集成于整個制冷系統中的效率提升則高達70%。這些都有力證明了該技術在高強度熱泵工況下的巨大應用潛力。

除了效率提升外，CHESS 薄膜技術所需材料極少——每臺制冷單元僅需0.003立方厘米，大致相當于一粒沙。如此小的用量，使得這種熱電材料可通過半導體芯片制造技術大規模量產，顯著降低成本并推動市場普及。

內森·費爾班克斯、喬恩·皮爾斯和拉瑪·文卡塔蘇布拉馬尼安（從左至右）正在分析金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）實驗室制備的薄膜。圖片來源：約翰霍普金斯大學應用物理實驗室/埃德·惠特曼

同時，這一材料采用廣泛應用于高效衛星太陽能電池及LED照明的金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）工藝生產。正因其具備擴展性與高效量產能力，未來有望像鋰離子電池一樣，應用于從小型制冷裝置到大型樓宇空調系統等各種領域。

約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室高級研究工程師喬恩·皮爾斯正在檢查一片采用金屬有機化學氣相沉積法生長的薄膜。該技術以其可擴展性、成本效益及支持大規模生產的能力而聞名。圖片來源：約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室/克雷格·韋曼

APL 還透露，CHESS 材料不僅可用于高效制冷，還具備將溫差（如人體熱量）轉化為電能的功能。未來，這一成果有望推動新一代觸覺系統、假體及人機接口的發展，并實現從計算機到航天器等多領域、可擴展的能源收集技術。

APL 技術商業化負責人 Susan Ehrlich 表示：“本次合作不僅證明了高效固態制冷的科學可行性，更展現了可規模化量產的巨大潛力。未來我們期待與更多企業合作，將這些創新技術推廣到實際應用中。”

編譯自/ScitechDaily