Физики создали самый маленький термоэлектрический холодильник

Ученым из Лос-Анджелеса удалось изготовить охлаждающий элемент из полупроводниковых пластинок с толщиной всего 100 нанометров, что на несколько порядков меньше характерных размеров предыдущих рекордно малых охлаждающих устройств. Исследователи показали, что созданный элемент при подаче на него электрического тока может охлаждаться на 21 кельвин относительно комнатной температуры, и что изменение температуры в столь малых устройствах можно измерять по размеру сконденсировавшихся на них капель. Как пишут авторы в статье, опубликованной в журнале ACS Nano, такие маленькие охладители работают эффективнее и быстрее своих полноразмерных аналогов, а их промышленное использование может привести к революции в электроэнергетике и технологиях производства охлаждающих элементов.

Термоэлектрические охладители — распространенные устройства, работающие на основе эффекта Пельтье, а именно явления переноса тепловой энергии между разнородными проводниками (чаще — полупроводниками) при протекании через них электрического тока. Они компактны и надежны, так как в них отсутствуют подвижные элементы, поэтому часто находят себе применение, однако в эффективности такие устройства все же уступают повсеместно встречающимся холодильникам на основе компрессоров.

Для повышения эффективности объемных термоэлектрических охладителей нужны материалы с высокой проводимостью (чтобы уменьшить нежелательный нагрев), с малой теплопроводностью (чтобы успешно сохранять большой градиент температур) и большим коэффициентом Зеебека. На практике крайне сложно обнаружить или создать материал, удовлетворяющий всем перечисленным требованиям, поэтому в попытке улучшить характеристики объемных устройств на основе эффекта Пельтье физики исследуют те же явления, но на наномасштабе. Аргументируется это тем, что в двумерных (на самом деле просто очень тонких) структурах на руку ученым могут сыграть квантовые эффекты: электронный конфайнмент и рассеяние фононов на границах материала могут уменьшать отношение теплопроводности и проводимости образца.

Уильям Хаббард (William Hubbard) из Калифорнийского университета вместе с коллегами изготовил самый тонкий из когда-либо созданных термоэлектрических охладителей. Толщина пластинок из теллурида висмута Bi₂Te₃ и теллурида сурьмы-висмута Sb_2-xBi_xTe₃, из которых был сделан экспериментальный образец, составила всего 100 нанометров — по словам авторов, предыдущее рекордно малое охлаждающее устройство было в 10 тысяч толще. 

Расположив одну пластинку над другой на подложке из нитрида кремния и подведя к ним контакты источника электрического тока, физики получили простейший термоэлектрический охладитель с холодной зоной в области перекрытия пластинок. Ученые исследовали его параметры с помощью сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов, а методами энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии убедились в качестве сформировавшейся структуры.

Особенно сложной задачей для исследователей оказалось измерение температуры получившегося термоэлектрического охладителя, ведь ширина холодной области в образце не превышала 300 нанометров, в то время как разрешение стандартных методов определения температуры не превышает микрометра. Для измерений температур столь малых объектов авторами была ранее разработана техника термометрии на основе измерения объемного расширения вещества, данные о котором получали из энергии плазмонов. В таком методе задействованы уже упомянутый просвечивающий электронный микроскоп в сочетании с методами спектроскопии характеристических потерь энергии электронами, и он позволяет с точностью до нескольких градусов измерять температуру крайне малых участков образца, но при этом в нем используются крайне дорогие приборы.

Поэтому авторы работы в качестве альтернативы предложили технику измерения температур столь малых объектов по размеру конденсирующихся на образце капель, для реализации которой требуется только простой оптический микроскоп. Эта методика основана на крайне простом эффекте: если при комнатной температуре начать охлаждать пусть даже очень маленький полупроводниковый контакт, то на нем начнет конденсироваться содержащийся в воздухе пар (если, конечно, в лаборатории не нулевая влажность). При этом размер формирующихся капель напрямую зависит от разности температур исследуемого объекта и окружающей среды, а сами капли достаточно малы, чтобы обеспечить высокое разрешение такой термометрии.

Хоть авторы работы и не обобщили этот метод на произвольную влажность и разность температур, само подтверждении возможности таких измерений может существенно упростить дальнейшие исследования в области создания мельчайших термоэлектрических охладителей. В результате физики показали, что максимальное охлаждение созданного ими образца достигло 21 кельвина (относительно начальной комнатной температуры), причем происходило оно на порядки быстрее чем в крупных охладителях. Ученые отмечают и то, что их исследование — лишь начало работы по созданию технологий для существенно более точного и контролируемого производства подобных наноохладителей, которые могут привести к скачку в эффективности существующей и повсеместно использующейся технологии термоэлектронного охлаждения.

Ранее мы рассказывали о том, как на основе эффекта Пельтье создали карманный кондиционер. А помимо термоэлектрических и компрессионных методов охлаждения тепло от объектов можно отводить напрямую через воду: совсем недавно мы писали о том, как ее для этого налили прямо в чип.

Никита Козырев