[发明专利]热电装置

说明书

实施例特别地涉及包括热电元件的热电装置。热电元件包括Weyl半金属和多个磁化元件。所述多个磁化元件被配置成在所述Weyl半金属上施加定向磁场。实施例还涉及用于冷却装置的相关方法和用于产生电能的相关方法。

背景技术

本发明的各方面一般涉及热电元件、模块和装置。另外的方面涉及用于通过热电元件冷却装置的方法以及用于通过热电元件产生电能的方法。

用于冷却的热电装置例如用于从电子设备传递多余的热量。由于许多电子设备具有低功耗，因此需要附加的冷却装置。热电冷却首先由John Charles Peltier发现，该人观察到，流过不同导体诸如n型或p型半导体之间的结(junction)的电流可根据流过该结的电流流而引起发热或冷却。这种效应被称为珀耳帖效应或热电效应。温度可以根据通过该结的电流方向而增加或降低。

热电装置通常用作放置在热源和散热器之间的热泵。热源可以是电气部件，散热器有时是表面板或对流散热器。传统的热电冷却装置使用多级来逐步冷却物体或将热量从热源传递走。这种多级模块主要由彼此堆叠的分离的热电模块组成。这导致额外的空间需求和由于所涉及的热电部件的数量和复杂性而导致的费用增加。

在固态装置中实现高冷却功率对于诸如芯片上的量子计算、感测和热管理之类的各种应用仍然是挑战。

热电装置的其他应用包括从环境温度中的差异产生电能，例如用于装置的自给供电。

因此，通常希望增加热电装置的效率。

发明内容

根据第一方面，本发明被实施为一种包括热电元件的热电装置。热电元件包括Weyl半金属及多个磁化元件。所述多个磁化元件被配置成在Weyl半金属上施加定向磁场。

这种实施的热电装置可以为热电装置的冷却或能量收集应用提供增加的效率。特别地，与常规热电材料诸如碲化铋、PeTe、硅化物、方钴矿或半赫斯勒合金相比，Weyl半金属与磁化元件的组合使用可以提供具有增加的ZT值作为品质因数的热电装置。ZT值是热源(待冷却的装置/部件的热侧)的绝对温度T和Z的乘积，其中

Z＝σS²/k，

其中σ是所用材料的电传导率，S是塞贝克系数，k是所用材料的热传导率。

目前对Weyl半金属的研究综述见Shuang Jia、Su-Yang Xu和M.Zaid Hasan Weyl在文献“Weyl半金属，费米弧和手性异常”，1140自然材料，第15卷，2016年11月中。根据该文献，“Weyl半金属是半金属或准粒子激发为Weyl费米子的金属，Weyl费米子是在量子场理论中起关键作用的粒子，但其作为基本粒子没有在真空中观察到。Weyl费米子具有确定的、或者是左旋的或者是右旋的手性。在Weyl半金属中，手性可以理解为拓扑保护的手性电荷。相反手性的Weyl节点在动量空间中是分离的，并且仅通过晶界由外部非闭合表面状态(费米弧)连接。Weyl费米子在承载电流时是稳健的，从而导致格外高的迁移率。由于它们的动量空间磁单极配置的特性，它们的自旋被锁定到它们的动量方向。由于手性异常，平行电场和磁场的存在可以打破手性电荷的表观守恒，使得Weyl金属与普通非磁性金属不同，随着磁场的增加而更导电。”

根据实施例，Weyl半金属被配置为引导热通量和电流。此外，定向磁场被定向在与电流平行的方向上。因此，电流和由磁化元件施加的磁场彼此平行。这种具体的热电装置可以打破由手性异常引起的手性电荷守恒。结果，根据本发明实施例的热电元件的传导率可以通过施加定向磁场而增加。这反过来导致ZT值的增加。

根据实施例，磁化元件以使得热通量和电流主要流过Weyl半金属的方式布置。

这种实施例基于磁化元件的电和热传导率通常高于Weyl半金属的电和热传导率这样的发现。因此，电流以及热通量可以绕过Weyl半金属，并且流过磁化元件。根据该实施例，磁化元件以使得避免或减少这样的绕过，并且热通量和电流“主要”流过Weyl半金属的方式布置。