固态热电技术为将废热转化为电能提供了一种引人注目的解决方案。为了将热电技术推广到广泛的工业应用，提高热电装置的最大转换效率（η
max
）势在必行。η
max
值取决于装置两端的温差（
ΔT
）和热电材料的品质因数（
zT
）。在过去的几十年中，在提高
zT
方面取得了实质性的进展，
Pb(Se/Te)
、
GeTe
和
Cu2Se
等化合物的
zT
值超过
1.5
，有时甚至达到
2.0
以上。这些改进使装置的效率超过
12%
。电极和热电材料之间的界面退化降低了热电装置的长期稳定性，阻碍了它的实际应用。
在热电装置长时间运行期间，电极
-
热电材料界面处的元素扩散和化学反应会严重损害装置性能。关键问题包括相互扩散、脆性金属间化合物的形成和接触电阻增加，为了缓解这些问题，引入接触层，例如镍
(Ni)
或铌
(Nb) 15
，已被证明可有效稳定界面并提高装置寿命。然而，在连接过程中，接触层和热电材料之间通常会形成一个微尺度界面反应层。虽然控制界面反应可以增强界面结合强度，但它也带来了一些不利影响，包括增加电阻和热阻、形成导致机械故障的脆性相、由于热膨胀不匹配而导致的应力积累以及难以控制反应层厚度。这些因素会加速退化，并随着时间的推移损害热电装置的电气和机械稳定性。为了克服这些挑战，理想目标是开发一种接触层，它能提供坚固的机械结合和最小的接触电阻，同时避免过度的界面反应和扩散。
东华大学江莞教授、王连军教授、中国科学院上海硅酸盐研究所许钫钫研究员、 德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心Qihao Zhang
等研究人员等研究人员以MgAg
0.97
Sb
0.99
(MgAgSb)为例，发现钴 (Co)可作为与MgAgSb直接键合的高效接触层，避免形成有害的界面反应层。MgAgSb/Co界面表现出极低的接触电阻率 (
ρ
c
)
2.5 µΩ cm
2
（迄今为止报告的最低值之一）和
高剪切强度(
τ
s
) 60.6 MPa
（比商用Bi
2
Te
3
/Ni接触界面高约 300%），这归因于Co和 Sb 原子之间形成的强共价键。这种原子级界面工程有效抑制了界面处的元素迁移和化学反应性，确保了设备的长期耐用性和机械完整性。与n型 Mg
3.17
Nb
0.03
SbBi
0.996
Se
0.004
(Mg
3
SbBi)/Nb结配对，制作了具有p型MgAgSb和n型Mg
3
SbBi 的热电模块。该模块在冷侧温度 (
T
c
) 285 K 和热侧温度 (
T
h
)
572 K时显示出
10.2%的优异
η
max
，性能优于最先进的MgAgSb/Mg
3
Sb
2
模块和基于Bi
2
Te
3
的模块。此外，还进行了热循环测试，在 373 K和 573 K之间连续改变
T
h
的同时，将T
c
保持在283 K，
η
max
在
1,440小时
（600 次热循环）内保持稳定，凸显了模块的高稳定性和耐用性。
相关研究成果以“
Atomic-scale interface strengthening unlocks efficient and durable Mg-based thermoelectric devices
”
为题
发表在
Nature Materials
上。
原子级界面工程
: 通过在MgAgSb和Co之间形成强Co-Sb化学键，构建了一个原子级直接键合界面。这种界面具有极低的界面电阻(2.5 μΩ cm2), 高结合强度(60.6 MPa)，以及在573 K下的高热稳定性。
抑制界面反应层
: 与传统的接触层（如Ni或Nb）不同，Co接触层避免了形成有害的微米级界面反应层。这消除了与界面反应层相关的诸多问题，如电阻增加、脆性相形成、热膨胀失配引起的应力积累以及反应层厚度难以控制等。
高通量筛选方法
: 研究人员设计了一种高通量筛选方法，可以快速有效地识别有效的接触层材料。通过将不同的金属候选粉末与MgAgSb粉末交替堆叠并进行一步烧结，可以立即识别出能够与MgAgSb键合的候选材料，并同时获得所有界面的接触电阻率。
优异的长期稳定性
: 通过原子级界面工程有效抑制了界面处的元素迁移和化学反应，确保了器件的长期耐用性和机械完整性。MgAgSb基热电模块在287 K的温差下实现了10.2%的转换效率，并在1440小时的热循环中表现出可忽略的性能退化。
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图 1.高效耐用热电装置的原子界面设计
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图 3.微观结构特征和界面稳定性机制
图 5.高效耐用的MgAgSb/Mg
3
SbBi热电模块
这项研究强调了原子级界面工程在提高热电器件效率和耐久性方面的潜力，从而推动了它们在工业废热回收中的实际应用。Co/MgAgSb 结的特点是 Co 和 Sb 原子之间有牢固的原子级键合，它体现了精确的界面设计如何通过同时优化界面的电、热和机械性能来有效解决热电技术中的关键挑战。通过克服传统接触材料的局限性（例如微尺度界面反应相和有害元素扩散层的形成），这些发现为界面性能树立了新的基准。展望未来，原子级热电界面的成功实现为利用先进材料（例如二维系统）设计定制的异质界面微纳米结构开辟了有希望的途径，从而进一步加速热电器件的进步。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02167-0
（
