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    南京大学沈群东团队低碳自驱动电制冷技术:二维限域诱导效应提升器件性能

    发布时间:2025-01-15 点击次数: 作者:化学化工学院 来源:科学技术研究院

    随着信息技术的飞速发展,消费电子产品更新迭代速度加快,芯片的运算速度和集成度不断攀升,由此带来的过热问题日益严峻。散热不畅会导致芯片强制降频、设备死机重启,极大影响用户体验。高效的热管理方案对保障电子产品的性能至关重要。近年来,基于铁电聚合物充/放电过程中可逆的熵变实现热量搬运的固态薄膜电制冷技术备受关注。该技术易于微型化集成,可直接嵌入芯片内部,通过施加外电场快速带走芯片表面的热量。与传统的散热器、风扇、液冷等被动散热技术相比,固态薄膜电致冷具有零温室效应潜能、系统紧凑、卡诺循环效率高、主动散热、响应速度快等优势,是未来芯片热管理的理想选择。

    南京大学化学化工学院沈群东教授团队在电制冷智能材料和电磁驱动机制的芯片冷却设备原型方面开展工作(Nat. Commun. 2022, 13, 5849)。近日,该团队提出了一种创新的电致冷薄膜材料的设计方案,首次将二维聚酰胺引入铁电聚合物体系,通过二维材料独特的多孔结构和氢键作用,在电致冷聚合物基体中构建了短程有序的多重极性构象。这一策略显著降低分子间相互作用和电场驱动下构象转变的能垒,使得复合薄膜在低驱动电场条件下的制冷效率提升一倍,单位功耗所能获得的冷量COP达到20。优化后的电极设计实现了2毫米的垂直电致形变,证实了自驱动电制冷器件的可行性,解决了以往器件需要外驱动装置,空间利用率低的问题。

    二维聚酰胺2DPA与铁电聚合物分子链的相互作用机制及电制冷效应增强。

    团队通过密度泛函理论计算和相场模拟,深入揭示了二维材料对电致冷聚合物微观结构的调控机制。这项研究突破了空间限域对电制冷效率的制约,解决了柔性电子中散热的难题,为芯片定点热管理提供了新思路。该成果也对推动二维材料在电子、光电和储能等领域的应用具有重要意义。

    该工作以“Two dimensional confinement induced discontinuous chain transitions for augmented electrocaloric cooling”为题发表在《Nature Communications》杂志上。论文第一作者为博士生王芳,通讯作者为沈群东教授和上海交通大学杨天南教授;南京大学理论与计算化学研究所李伟教授、化学化工学院王晓亮教授、现代工程与应用科学学院杨玉荣教授参与了研究。该项研究得到了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家自然科学基金、南京大学教育部集成攻关大平台-揭榜挂帅项目、教育部工程研究中心等项目的资助。

    原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-55726-5