主要观点总结
本文介绍了清华大学李敬锋教授团队在碲化铋合金制备微型珀尔帖制冷器方面的研究成果。团队通过新型微结构调控策略，成功制备出高强度、高热电性能的碲化铋合金，并实现了高性能微型珀尔帖制冷器的制备。该研究解决了Bi 2 Te 3 合金晶体力学性差的难题，在热端不同温度下测得的制冷温差达到了国际前沿水准。
关键观点总结
关键观点1: 新型微结构调控策略的应用
李敬锋教授团队成功开发出一种新型微结构调控策略，显著提升了碲化铋合金的机械性能和热电性能。
关键观点2: 碲化铋合金的机械强度和热电性能的提升
通过应用多种强化机制，如退火-热锻工艺和SiC纳米复合等，碲化铋合金的抗弯强度和抗压强度分别达到140 MPa和224 MPa，热电优值提升至1.50。
关键观点3: 微型珀尔帖制冷器的制备与性能
使用优化后的碲化铋合金，研究团队成功制备出微型珀尔帖制冷器，其最大制冷温差在不同热端温度下分别达到了69.6 K、79.3 K和89.3 K。
关键观点4: 研究成果的应用前景
该研究为小空间内的固态制冷技术领域提供了重要应用前景，有望为集成光电器件和芯片的精准温控热管理带来发展机遇，推动相关产业的进一步发展。
正文
分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
珀尔帖制冷器（Peltier cooler，PC）是5G芯片光模块温控热管理的核心部件，保障了巨量信息稳定传输。目前，碲化铋（Bi
2
Te
3
）合金是唯一可用于商业化生产珀尔帖制冷器的热电材料。然而，Bi
2
Te
3
合金晶体具有通过范德华力连接的层状结构，力学性能较差，给微型化器件的制备带来了极大挑战。
改善碲化铋合金机械强度、提升热电性能
是珀尔帖制冷器在微型化、集成化过程中需要攻克的关键难题
。
针对上述问题，
清华大学李敬锋教授团队开发了一种新型微结构调控策略，成功制备出高强度、高热电性能的碲化铋合金，并实现了高性能微型珀尔帖制冷器的制备
。相关研究成果发表于《国家科学评论》（
National Science Review
, NSR），清华大学博士后庄华鹭为第一作者，李敬锋教授为通讯作者。
该研究团队通过多种强化机制的综合应用实现了Bi
2
Te
3
合金机械性能的显著提升。
通过退火-热锻工艺促进多晶块体的致密化和多态位错强化、通过SiC纳米复合实现弥散强化，从而实现了140 MPa的高抗弯强度和224 MPa的高抗压强度。
随后，通过调整Te含量的组分调控策略，提升其热电性能，使热电优值（
ZT
）提升至1.50，并维持了高水准的机械强度，以满足精密加工要求。
图1 不同优化策略下(Bi,Sb)
2
Te
3
的（a）抗弯和抗压强度以及（b）
ZT
值。
研究团队剖析了机械性能和热电性能的提升机制。退火过程中可使Bi
2
Te
3
内部本征微孔扩展并使样品膨胀。膨胀后的样品经热锻后扩展的微孔闭合，致密度得到提升，不仅可提升机械强度，还有利于载流子传输。此外，热锻过程中塑性变形引入的高密度位错可阻碍相互之间的运动，提升了机械强度，所产生的位错应力场同时增强了中频声子散射，降低了晶格热导率。复合的纳米SiC弥散于样品内，在界面附近引入应力，增强机械强度。
图2 退火处理后的Bi
2
Te
3
合金在（a）热锻处理前和（b）处理后断裂表面的SEM图像。（c）样品内位错阵列与弥散纳米SiC的低分辨率TEM图像（d）以Si元素分布显示的样品内SiC的分布情况。（e）纳米SiC于基体界面附近的高分辨率TEM图像。（f）与纳米SiC颗粒相邻基体晶格的几何相位分析图像。
这种热电性能、机械强度综合大幅提升后的Bi
2
Te
3
合金可用划片机进行直接切割加工得到尺寸约为50 × 50 × 120 μm³的微柱阵列，具有极其优异的加工性能。最终，研究团队实现了微型珀尔帖制冷器（横截面积为2 × 2 mm²）的大规模制备，在热端温度为298 K、323 K和348 K时，分别测得其最大制冷温差可达69.6 K、79.3 K和89.3 K，处于国际前沿水准。
图3 （a）使用划片机在样品4表面切割出的微柱阵列。（b）制得微型珀尔帖制冷器的照片。（c）制得微型珀尔帖制冷器的最大制冷温差。
此研究提出的新策略为协同提升热电材料的机械与热电性能，制造高性能微型珀尔帖制冷器提供了切实可行的方案。这一成果在小空间内的固态制冷技术领域具有重要的应用前景，有望为集成光电器件和芯片等的精准温控热管理带来发展机遇，并推动相关产业的进一步发展。
