Des scientifiques ont mis au point un refroidisseur thermoélectrique dont la puissance de refroidissement et l’efficacité ont été considérablement améliorées par rapport aux unités commerciales existantes, ce qui en fait une solution potentielle pour la gestion de la chaleur dans les appareils électroniques de la prochaine génération. Le dispositif a démontré une augmentation de 210 % de la densité de puissance de refroidissement et a pu maintenir un coefficient de performance similaire.
Des chercheurs de Penn State ont créé un refroidisseur thermoélectrique qui améliore considérablement la puissance et l’efficacité du refroidissement pour les futurs appareils électroniques à haute puissance. Le dispositif utilise des alliages demi-Heusler et un processus de recuit unique pour obtenir une densité de puissance de refroidissement et une mobilité des porteurs plus élevées.
Sommaire
Refroidisseur thermoélectrique révolutionnaire pour l’électronique de la prochaine génération
Le développement de l’électronique de nouvelle génération, qui devrait comporter des composants plus petits mais plus puissants, nécessite des solutions de refroidissement innovantes. Un nouveau refroidisseur thermoélectrique, conçu par des scientifiques de l’État de Pennsylvanie, améliore considérablement la puissance et l’efficacité du refroidissement par rapport aux unités thermoélectriques commerciales existantes. Selon les chercheurs, ce développement pourrait jouer un rôle déterminant dans la gestion de la chaleur dans les futurs composants électroniques de haute puissance.
Bed Poudel, professeur de recherche au département de science et d’ingénierie des matériaux de Penn State, s’est montré optimiste quant aux applications futures du dispositif. Il a déclaré : « Notre nouveau matériau peut fournir des dispositifs thermoélectriques avec une densité de puissance de refroidissement très élevée. Nous avons pu démontrer que ce nouveau dispositif peut non seulement être compétitif en termes de mesures technico-économiques, mais aussi surpasser les principaux modules de refroidissement thermoélectriques actuels. La nouvelle génération d’appareils électroniques bénéficiera de ce développement ».
Les matériaux demi-Heusler peuvent améliorer la densité de puissance de refroidissement des dispositifs thermoélectriques et fournir une solution de refroidissement pour la prochaine génération d’appareils électroniques à haute puissance. Crédit : Courtesy Wenjie Li
Refroidisseurs thermoélectriques : Mécanisme et défi
Les refroidisseurs thermoélectriques fonctionnent en transférant la chaleur d’un côté de l’appareil à l’autre sous l’effet de l’électricité. Ce processus permet d’obtenir un module dont les faces froides et chaudes sont distinctes. En plaçant la face froide sur des composants électroniques générateurs de chaleur tels que des diodes laser ou des microprocesseurs, la chaleur excédentaire peut être évacuée par pompage, ce qui permet de contrôler efficacement la température. Toutefois, ces composants devenant de plus en plus puissants, les refroidisseurs thermoélectriques devront également évacuer davantage de chaleur.
Le nouveau dispositif thermoélectrique développé a démontré une augmentation de 210 % de la densité de puissance de refroidissement par rapport au principal dispositif commercial, construit à partir de tellurure de bismuth. En outre, il maintient potentiellement un coefficient de performance (COP) similaire, c’est-à-dire le rapport entre le refroidissement utile et l’énergie requise, comme l’indique la revue Nature Communications.
Relever les défis du refroidissement thermoélectrique
Shashank Priya, vice-président de la recherche à l’université du Minnesota et co-auteur de l’article, a mis en lumière les capacités du nouveau dispositif. Il a déclaré : « Ce dispositif résout deux des trois grands défis que pose la fabrication de dispositifs de refroidissement thermoélectrique. Premièrement, il peut fournir une densité de puissance de refroidissement élevée avec un COP élevé. Cela signifie qu’une petite quantité d’électricité peut pomper beaucoup de chaleur. Deuxièmement, pour un laser de grande puissance ou des applications qui nécessitent l’élimination d’une grande quantité de chaleur localisée dans une petite zone, ce dispositif peut constituer la solution optimale. »
Un matériau innovant de type Half-Heusler dans le nouveau dispositif
Ce nouveau dispositif est construit à partir d’un composé d’alliages demi-Heusler, une classe de matériaux aux propriétés distinctives prometteuses pour des applications énergétiques telles que les dispositifs thermoélectriques. Ces matériaux offrent une résistance, une stabilité thermique et une efficacité considérables.
Les chercheurs ont utilisé un processus de recuit spécial – qui manipule la façon dont les matériaux sont chauffés et refroidis – leur permettant de modifier et de réguler la microstructure du matériau afin d’éliminer les défauts. Cette méthode n’avait jamais été utilisée auparavant pour fabriquer des matériaux thermoélectriques demi-Heusler.
Le processus de recuit et ses effets
Le processus de recuit a également considérablement augmenté la taille des grains du matériau, ce qui a permis de réduire les joints de grains, c’est-à-dire les régions d’un matériau où les structures cristallines se rencontrent et qui réduisent la conductivité électrique ou thermique.
Wenjie Li, professeur de recherche adjoint au département de science et d’ingénierie des matériaux de Penn State, a décrit cette transformation : « En général, les matériaux semi-Heusler ont une taille de grain très petite, de l’ordre du nanomètre. Grâce à ce processus de recuit, nous pouvons contrôler la croissance des grains de l’échelle nanométrique à l’échelle microscopique, ce qui représente une différence de trois ordres de grandeur ».
La réduction des joints de grains et d’autres défauts a considérablement amélioré la mobilité des porteurs du matériau, influençant la façon dont les électrons peuvent se déplacer à travers lui, ce qui a permis d’obtenir un facteur de puissance plus élevé. Ce facteur de puissance est particulièrement crucial dans les applications de refroidissement électronique, car il détermine la densité maximale de puissance de refroidissement.
Applications de gestion thermique à haute température et implications futures
M. Li a expliqué la pertinence de cette avancée en déclarant : « Par exemple, dans le cas du refroidissement des diodes laser, une quantité importante de chaleur est générée dans une très petite zone, et elle doit être maintenue à une température spécifique pour que les performances de l’appareil soient optimales. C’est là que notre technologie peut être appliquée. Elle est promise à un bel avenir dans le domaine de la gestion thermique locale à haute température. »
Outre le facteur de puissance élevé, les matériaux ont produit le facteur de mérite moyen, ou rendement, le plus élevé de tous les matériaux demi-Heusler dans la plage de température de 300 à 873 degrés Kelvin (80 à 1 111 degrés Fahrenheit).
« En tant que pays, nous investissons beaucoup dans le CHIPS et le Science Act, et l’un des problèmes pourrait être de savoir comment la microélectronique peut gérer une densité de puissance élevée à mesure qu’elle devient plus petite et fonctionne à une puissance plus élevée », a déclaré M. Poudel. « Cette technologie pourrait permettre de relever certains de ces défis.
Référence : « Half-Heusler alloys as emerging high power density thermoelectric cooling materials » par Hangtian Zhu, Wenjie Li, Amin Nozariasbmarz, Na Liu, Yu Zhang, Shashank Priya et Bed Poudel, 6 juin 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-38446-0
Ont également contribué Amin Nozariasbmarz, professeur de recherche adjoint, Na Liu et Yu Zhang, chercheurs postdoctoraux, Penn State, et Hangtian Zhu, professeur associé, Institut de physique, Académie chinoise des sciences, Pékin.
Les chercheurs qui ont participé à ce projet ont bénéficié de subventions de l’Office of Defense Advanced Research Projects Agency, de l’Office of Naval Research, du ministère américain de l’énergie, de la National Science Foundation et du Army Small Business Research Program.