固体所研发出新型高效固态热二极管

日期:2021-08-17     来源:中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所    
核心提示:童鹏研究员团队在前期研究中发现了六角硫化物Ni1-xFexS具有奇异热导率跳变行为,热导率在相变处变化率高达200%,即该材料的导热能力在高低温下存在巨大差异 (Acta Mater., 208, 116709(2021))。
 近期,中科院合肥研究院固体所功能材料物理与器件研究部童鹏研究员团队基于前期研发的新型热导率自主调控材料,研制出具有优异热整流性能的固态热二极管,相关研究结果以“ Large thermal rectification in a solid-state thermal diode constructed of iron-doped nickel sulfide and alumina”为题发表在 Physical Review Applied (Phys. Rev. Appl., 16, 014031 (2021))上。

据统计,目前约90%的能源在使用过程中涉及热量的产生和操控。从化石燃料发电,到废热回收利用、建筑物供暖,再到动力电池热管理、微电子器件散热等,都离不开热量的产生与传输。因此,有效控制热量,使其按需、有序传输, 对于提高能源利用率、实现节能减排和可持续发展均具有重要意义。

热二极管是一种极其重要的热流控制元件,在热量收集、储热、制冷等领域具有广阔的应用前景。在热二极管中,热流正向导通,而沿相反方向则受到阻碍,即热整流效应(类似于电子二极管对电流的整流效应)。按照热量传输方式(对流、辐射和传导)的不同,实现热整流的方法也有所不同。利用气体或液体在不同方向的对流强度不同、材料的辐射率随温度的非线性变化,可实现较大的热整流效应,但其装置难以小型化。将具有相反的热导率温度关系的两种固态材料构筑成异质结,可获得传导热整流效应,同时可以避免上述问题。其中具有非线性热导率温度依赖关系的固态材料是实现高整流效率的关键。

童鹏研究员团队在前期研究中发现了六角硫化物Ni1-xFexS具有奇异热导率跳变行为,热导率在相变处变化率高达200%,即该材料的导热能力在高低温下存在巨大差异 (Acta Mater., 208, 116709(2021))。在此基础上,研究人员以10 wt.%Ag粘接的Ni0.85Fe0.15S(简写为Ni0.85Fe0.15S)和Al2O3分别作为两端构筑了热二极管,其具有优异的整流性能。当热二极管冷端温度设定为250 K时,在温差为97 K的条件下,最大热整流系数γmax可达1.51。在小于100 K的驱动温差下,Ni0.85Fe0.15S/Al2O3的γmax值也高于已报道的同类固态热二极管。虽然镍钛合金基热二极管的γmax值接近1.5,但其对应的驱动温差大于150 K,且工作温区远高于室温,实际应用受到限制。通过理论计算系统地阐明了γmaxNi0.85Fe0.15S/Al2O3长度比、冷端温度以及Ni0.85Fe0.15S一级相变陡峭程度的依赖关系,为进一步提高热整流系数提供了理论依据,也为基于固态相变材料设计新型热二极管提供了参考。

此外,研究人员发现Ni1-xFexS系列材料的相变温度可以通过改变Fe含量进行调控,且均具有可逆的热导率突变,为设计和构建面向不同工作温区和应用环境的高性能固态热二极管提供了备选材料。

该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究计划和中国科学院合肥大科学中心高端用户培育基金项目的资助。

文章链接:

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.16.014031。


1. 热二极管示意图:(a)热流正向传导;(b)热流反向传导。

2. 典型固态热二极管的热整流效应对比。

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