南开大学马儒军教授团队《Adv. Mater.》：一种用于精准控温的点阵式主动制冷电卡器件

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近年来，微型集成电路和电子芯片已成为科技发展的重要组成部分。随着它们集成度的不断提高，其总功耗呈指数上升。在多核芯片中，单个核的异常发热会直接影响其他核甚至整体的运算能力，这意味着局部异常发热会使芯片热管理变得更加困难。在当前电子产品的所有故障中，由异常发热造成的损坏超过了55%。当电子芯片温度接近70-80 °C时，其性能每升高2 °C就会降低~10%。因此，电子芯片的精准控温日益成为影响电子工业发展的重要因素。

图1点阵式主动电卡制冷薄膜的制备及表征

近日，南开大学材料科学与工程学院马儒军教授团队报道了一种高效的点阵式电卡(Electrocaloric, EC)制冷器件，可以有效地针对多核芯片的局部异常发热问题进行主动精准控温。通过三乙胺(Et₃N)化学改性，在P(VDF-TrFE-CFE)骨架上引入了C=C双键，降低了偶极翻转的能垒。同时，Ba_0.6Sr_0.4TiO₃纳米粒子的掺入进一步提高了材料的EC性能和导热系数，并更适用于高频率下的热传导和静电驱动效果(图1)。

通过电路设计后，多核芯片的局部异常发热可作为触发信号输入到EC制冷器件中，实现自动响应和精准的热管理。以静电驱动为基础，EC聚合物与热源接触时实施制冷并吸收来自热源的热量，在与散热器接触时将热量释放。如此快速循环，对多核芯片实施高效热管理。EC制冷器件中所有阵列点的温度跨度(T_span)稳定在4.6 K，热流通量高达为62 mW/cm²，是同类单层器件的两倍以上。由于聚合物的绝缘特性，EC制冷器件的耗能低，具有较大的COP (图2)。

图2精准控温电卡制冷器件的工作原理及性能表征。

图3精准控温电卡制冷器件的热管理应用。

本设计的点阵式EC冷却器件尺寸仅为5×7×0.4 cm³，同时可实现针对多核芯片温度差异化的热管理需求。EC器件中的每个制冷像素点可以独立或协调工作，响应时间仅为1 ms。在相同的条件下，本设计的EC制冷器件能够将模拟CPU(NO:CT-JRP, 5V/2W)的表面温度稳定地抑制在59.1°C。在冷却性能上与CPU风冷散热器相当，并且远优于桌面风扇(图3)。这种结构紧凑、可嵌入、高性能、点阵式EC制冷器件为主动、精确定位和温度差异化热管理提供了灵活的策略，在微电子过热保护方面具有很大的应用潜力。

该工作以“An active pixel-matrix electrocaloric device for targeted and differential thermal management”为题发表在《Advance Materials》上。论文第一作者为博士生白培加，通讯作者为马儒军教授，该研究得到了国家自然科学基金委以及科学技术部的资助。

该工作是马儒军教授团队近期关于主动式固态制冷材料与器件研究的最新进展之一。马儒军教授目前为南开大学材料科学与工程学院智能热管理实验室负责人，近年来在主动/被动制冷材料、柔性热电材料与器件、高性能柔性导热复合材料、能源转换材料与器件等多学科交叉领域取得了一系列重要的研究成果，并以通讯或第一作者发表在Science、Chemical Society Reviews、PNAS、Nature Communications、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS nano等国际知名期刊上。实验室拥有先进的材料制备平台以及电学、热学等测试系统，并围绕国家重点研发计划项目等多项课题，展开新能源与智能热管理技术方向的研究。团队现诚招材料、化学、物理、电子等相关专业背景的博士后，欢迎有志之士将个人简历（pdf）发送至马儒军教授邮箱[e-mail]，邮件标题请注明：“应聘博士后+本人姓名+博士毕业院校”，对于符合要求并通过初审者，将会通知安排面试。招聘启事在岗位招满前有效。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209181

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