专栏名称: 研之成理

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东华大学，Nature Materials！

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-18 08:36

正文

第一作者： Wusheng Zuo, Hongyi Chen, Ziyi Yu, Yuntian Fu

通讯作者： Wan Jiang、Qihao Zhang、Fangfang Xu、Lianjun Wang

通讯单位：东华大学、德国德累斯顿离子束物理与材料研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02167-0

背景介绍

热电技术能够直接将废热转化为电能，在工业节能和碳中和领域具有重要潜力。然而，热电器件的长期稳定性问题，尤其是电极与热电材料界面处的性能退化，严重阻碍了其实际应用。传统界面设计中，电极与热电材料之间易发生元素扩散和化学反应，形成微米级界面反应层，导致接触电阻增加、机械强度下降以及热应力累积，最终降低器件效率和寿命。尽管近年来热电材料本身的性能（如无量纲优值 𝑧𝑇 zT ）已显著提升，但界面问题仍是制约器件实用化的关键瓶颈。

本文以镁基热电材料（如 MgAgSb 和 Mg ₃ SbBi）为研究对象，提出了一种原子级直接键合界面设计策略。通过在高通量筛选中发现钴（Co）作为理想接触层，研究者成功构建了低电阻、高强度的 Co/MgAgSb 界面，并通过实验与理论计算揭示了其稳定机制。这一突破性设计不仅显著提升了热电模块的转换效率，还实现了超过 1,440 小时的热循环稳定性，为热电技术在工业废热回收中的大规模应用奠定了基础。

本文亮点

1. 原子级直接键合界面 ：通过 Co 与 Sb 原子的强共价键形成低电阻（2.5 μΩ cm²）、高强度（60.6 MPa）的界面，避免传统微米级反应层的缺陷。

2. 超高转换效率与稳定性 ：MgAgSb/Mg ₃ SbBi 模块在 287 K 温差下实现 10.2% 的转换效率，并在 600 次热循环后性能无衰减。

3. 高通量筛选与理论验证结合 ：通过实验筛选与密度泛函理论（DFT）计算，阐明 Co/MgAgSb 界面的热力学稳定性和电荷传输机制。

图文解析

图1. 原子界面设计对热电器件性能的影响

要点：

1、界面设计对比如图1a所示。传统界面（Type I）：电极与热电材料间因扩散和反应形成微米级界面层，导致电阻升高和机械失效；原子界面（Type II）：通过 Co 与 Sb 的原子级键合，避免反应层形成，维持界面电学与机械性能的长期稳定。

2、 效率衰减机制 如图1b所示。传统界面因反应层厚度（θ）增加导致接触电阻（ρ𝑐 c ）上升，器件效率（ηmaxmax）随时间显著下降；原子界面则保持稳定。

3、新型 MgAgSb/Mg ₃ SbBi 模块在 287 K 温差下的效率（10.2%）远超传统镁基和 Bi22Te33 基模块（6-8%）。热循环测试中，模块在 1,440 小时内效率无衰减，证明其卓越耐久性。

图2. 界面电学特性分析

要点：

1、通过交替堆叠金属候选材料与 MgAgSb 粉末，一步烧结后测量界面电阻，快速筛选出 Co 作为最优接触层。

2、Co/MgAgSb 的初始接触电阻仅 2.5 μΩ cm²，远低于 Ag（5.6 μΩ cm²）和 Cu（188 μΩ cm²），且热老化后仍保持稳定。

3、 电荷密度与导电机制 如图2f-g所示。DFT 计算显示 Co/Sb 界面电子局域化更强，形成共价键，促进电荷传输；而 Ag 界面电子分布分散，导电性较差。

图 3. 界面微观结构与稳定性机制

要点：

1、HAADF-STEM 显示 Co/MgAgSb 界面元素分布陡峭，无扩散或反应层；高分辨 TEM 证实界面为无序非共格结构。

2、573 K 热老化 7 天后，界面元素分布与厚度不变，分子动力学模拟表明 Co 原子迁移能垒高，抑制扩散。

3、界面反应焓趋近于零，热力学上不利；原子探针层析显示 Co 在 MgAgSb 基体中浓度极低，进一步验证界面惰性。

图 4. 界面结合强度与机械稳定性

图5. 热电模块性能与耐久性

要点：

1、Co/MgAgSb 界面剪切强度达 60.6 MPa，是商用 Bi22Te33/Ni 界面的 3 倍，归因于 Co-Sb 共价键的高结合能。电子局域函数（ELF）显示 Co 与 Sb 间电子高度共享，形成强共价键，而 Ag 界面电子分布松散。

2、界面切割至 200 μm × 200 μm 仍保持完整，优于易碎裂的 Bi22Te33 基材料，凸显其机械可靠性。材料性能对比如图5a所示，p 型 MgAgSb 和 n 型 Mg ₃ SbBi 的 𝑧𝑇 zT 值在 300-600 K 范围内均优于商用 Bi22Te33，支持高效能量转换。

3、模块在 287 K 温差下输出功率 0.61 W（功率密度 0.61 W cm⁻²），效率 10.2%；600 次热循环后性能无衰减。3D X 射线显微成像显示热循环后所有组件与界面完好，EDS 证实元素无迁移，验证长期可靠性。

东华大学，Nature Materials！

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