原子级界面增强提升热电器件的效率与耐久性
在钢铁、化工等行业中，约60%的能量以废热形式流失，回收废热对提高能效和应对气候变化至关重要。热电技术通过将废热直接转化为电能，提供了一种有效的解决方案。然而，要大规模应用热电技术，关键在于提高热电器件的转化效率。尽管近年来在提升热电材料性能方面取得了进展，但长期稳定性仍是难题，尤其是电极与热电材料界面的退化问题。界面反应、元素扩散和接触电阻的增加会影响设备性能并导致故障。因此，开发一种既能增强界面结合力又能减少电阻和界面反应的接触层，对热电设备的长期稳定运行至关重要，这将推动废热回收和能源转化的广泛应用。
在这里，
东华大学
江莞教授
、
王连军教授
、德国离子束物理与材料研究所
Qihao Zhang
和中科院上海硅酸盐研究所
许钫钫研究员
合作
通过构建原子级直接键合界面解决了这一挑战
。
在Co和Sb原子之间形成坚固的化学键后，开发出了具有低界面电阻率（2.5 μΩ cm）、高粘合强度（60.6 MPa）和573 K高热稳定性的MgAgSb/Co热电结。这种热稳定且欧姆接触的界面使基于MgAgSb的热电模块在287 K温差下实现了10.2%的转换效率，并在1,440小时的热循环中表现出极小的降解。
（图1）本研究结果强调了原子级界面工程在提升热电半导体器件性能、实现更高效和耐用热电模块中的关键作用。相关成果以“Atomic-scale interface strengthening unlocks efficient and durable Mg-based thermoelectric devices”为题发表在
《Nature Materials》
上，第一作者为
左武升
,
Hongyi Chen, Ziyi Yu, Yuntian Fu.
为共同一作。
图1：用于高效耐用的热电设备的原子界面设计
原子界面设计和电气特性
本文设计了一种高通量筛选方法，以快速筛选出有效的接触层。将不同金属粉末与MgAgSb粉末交替堆叠，在573K下进行一步烧结，形成分段结构样品（图2a）
。通过扫描样品电阻和元素分析，评估各界面接触电阻、元素扩散和化学反应。结果显示，除Cr和Nb外，Zn、Ag、Cu等金属与MgAgSb成功结合。热老化处理后，Zn/MgAgSb界面破裂，而Co/MgAgSb界面在573K下热老化七天后仍保持稳定，无明显元素扩散或裂纹（图2b）。进一步分析表明，
Co接触层表现出良好的稳定性和低接触电阻，其与MgAgSb界面的ρc为2.5μΩ·cm²，显著低于传统Ag/MgAgSb界面（5.6μΩ·cm²）（图2c）。
热老化后，Co/MgAgSb界面保持完好，而Ag/MgAgSb界面出现裂纹，接触电阻增加（图2d）。密度泛函理论（DFT）计算显示，MgAgSb/Co界面电子积累较强，表明其电子传输效率高，接触电阻低（图2f,g）。总之，Co接触层不仅提高了热稳定性，还能有效降低接触电阻，具有潜力用于热电设备的长期可靠运行。
图2：界面电性能
界面稳定性机理
为了探究Co/MgAgSb界面的稳定性和特性，作者使用扫描透射电子显微镜和三维原子探针断层扫描分析了界面微观结构，并通过DFT计算和分子动力学模拟分析了界面反应和扩散行为。MgAgSb/Co接头的高角环形暗场STEM图像及元素分布图显示，MgAgSb和Co层之间元素分布均匀，无明显富集（图3a）。元素线扫描显示界面处无中间反应产物，界面变化锐利（图3b）。在界面处观察到一层不到30nm的薄层，包含Mg、Ag、Sb和Co元素，这可能是透射电子显微镜的投影效应或元素扩散造成的，但并未发现明显的相变。
高分辨率TEM图像显示界面附近原子排列杂乱、粗糙（图3c），表明MgAgSb/Co界面是不一致的。傅里叶变换结果表明Co晶体以六方P63/mmc空间群结晶，而MgAgSb则保持四方结构
（图3c）。界面处Co和MgAgSb晶面之间的晶格错配较大，说明形成一致界面困难。经过573K热老化7天后，界面微观结构几乎没有变化，元素分布和界面中间层厚度没有显著改变（图3d）。热老化过程中没有发生化学反应或显著的元素扩散，表明界面具有优异的热稳定性和化学稳定性。进一步的实验显示，Co在MgAgSb基体中的分布均匀，且没有形成中间相。通过原子探针断层扫描重建的结果也证实了界面元素分布的锋利清晰，未形成中间相。Co与MgAgSb之间几乎没有扩散或化学反应，表明Co与MgAgSb界面稳定且惰性，维持着稳定的接触界面。
图3：界面稳定性的微观结构表征和机制
界面粘结强度
