研究背景
固態(tài)熱電技術(shù)因其將廢熱轉(zhuǎn)化為電能的潛力，已成為解決能源浪費(fèi)和提高能源利用效率的重要技術(shù)。該技術(shù)能夠直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，無需機(jī)械運(yùn)動部件，因此特別適合用于回收分散源的廢熱，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、化工、輕工業(yè)及食品加工等領(lǐng)域。然而，固態(tài)熱電技術(shù)的廣泛應(yīng)用受到長期穩(wěn)定性問題的制約，尤其是電極與熱電材料界面處的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的熱電材料通常存在接觸電阻高、熱穩(wěn)定性差等問題，這些都制約了熱電模塊在工業(yè)環(huán)境中的長期應(yīng)用。與傳統(tǒng)的熱電材料相比，近年來，研究人員開發(fā)了一些新型熱電材料，如MgAgSb等，這些材料具有較高的熱電性能。然而，熱電材料與電極之間的界面反應(yīng)仍然是限制其穩(wěn)定性和效率的主要挑戰(zhàn)。在長期的工作過程中，電極與熱電材料界面的元素擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等會顯著降低設(shè)備的性能，產(chǎn)生脆性金屬間化合物和增加接觸電阻，導(dǎo)致熱電效率降低、機(jī)械失效等問題。為了應(yīng)對這些問題，研究者們嘗試使用接觸層材料（如鎳或鈮）來穩(wěn)定界面，雖然這些方法能夠有效提高熱電設(shè)備的穩(wěn)定性，但仍然存在界面反應(yīng)層過厚導(dǎo)致電阻增大和熱膨脹失配等問題。鑒于此，東華大學(xué)江莞/王連軍、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所許鈁鈁、德國亥姆霍茲德累斯頓-羅森多夫研究中心Denys Makarov/張騏昊（現(xiàn)已加入東華大學(xué)）等人合作在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Atomic-scale interface strengthening unlocks efficient and durable Mg-based thermoelectric devices”的最新論文。他們通過原子級直接鍵合設(shè)計，成功構(gòu)建了MgAgSb/Co熱電界面，避免了傳統(tǒng)界面中形成有害反應(yīng)層的問題。該團(tuán)隊通過化學(xué)鍵合，將鈷（Co）與銻（Sb）原子牢固結(jié)合，制備了低接觸電阻（2.5 μΩ·cm2）、高粘結(jié)強(qiáng)度（60.6 MPa）且具有高熱穩(wěn)定性的MgAgSb/Co熱電接觸界面。利用這一熱穩(wěn)定的歐姆接觸界面，熱電模塊在溫差為287 K時，達(dá)到了10.2%的轉(zhuǎn)換效率，并在持續(xù)1440小時的熱循環(huán)過程中表現(xiàn)出幾乎無降解的穩(wěn)定性。該研究有效解決了界面穩(wěn)定性和高效轉(zhuǎn)換的問題，為熱電技術(shù)在工業(yè)廢熱回收中的實際應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)路徑。
研究亮點(diǎn)
（1）實驗首次設(shè)計了原子級直接鍵合界面，并在MgAgSb/Co熱電接頭中成功實現(xiàn)。通過形成Co與Sb原子之間的強(qiáng)化學(xué)鍵，克服了傳統(tǒng)電極與熱電材料界面處的穩(wěn)定性問題。
（2）實驗通過優(yōu)化界面設(shè)計，顯著降低了界面電阻（2.5 μΩ·cm2），實現(xiàn)了極低的接觸電阻，并增強(qiáng)了界面的鍵合強(qiáng)度（60.6 MPa），使得接頭具有較高的熱穩(wěn)定性。
（3）該界面工程有效防止了元素擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，避免了形成有害的界面反應(yīng)層，保證了熱電器件的長期穩(wěn)定性，提升了器件的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。
（4）實驗進(jìn)一步通過將MgAgSb與Mg3SbBi材料結(jié)合，制備了熱電模塊。在287K的溫差下，模塊的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.2%，超越了現(xiàn)有的MgAgSb/Mg3Sb2模塊和Bi2Te3基模塊的性能。
（5）通過進(jìn)行熱循環(huán)測試，研究表明該模塊在經(jīng)歷1,440小時（600個熱循環(huán)）后，性能幾乎無衰退，展示了其在高溫條件下的優(yōu)異穩(wěn)定性和耐用性。
圖文解讀
圖1. 用于高效且耐用的熱電設(shè)備的原子級界面設(shè)計。圖3. 微觀結(jié)構(gòu)表征和界面穩(wěn)定性機(jī)制。圖4. 原子級直接鍵合界面展現(xiàn)出卓越的鍵合強(qiáng)度。圖5.高效且耐用的MgAgSb/Mg?SbBi熱電模塊。
結(jié)論展望
本研究強(qiáng)調(diào)了原子級界面工程在提高熱電器件效率和耐用性方面的潛力，為其在工業(yè)廢熱回收中的實際應(yīng)用推進(jìn)了新的方向。Co/MgAgSb接頭通過Co和Sb原子之間穩(wěn)固的原子級鍵合，展示了精確界面設(shè)計如何有效解決熱電技術(shù)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，同時優(yōu)化了界面處的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能。通過克服傳統(tǒng)接觸材料的局限性——如微米級界面反應(yīng)相的形成和有害元素擴(kuò)散層的出現(xiàn)——這些發(fā)現(xiàn)為界面性能樹立了新的標(biāo)桿。展望未來，成功實現(xiàn)原子級熱電界面為利用先進(jìn)材料（如二維系統(tǒng)）設(shè)計量身定制的異質(zhì)界面微觀和納米結(jié)構(gòu)開辟了有希望的途徑，進(jìn)一步加速了熱電器件的發(fā)展。Zuo, W., Chen, H., Yu, Z. et al. Atomic-scale interface strengthening unlocks efficient and durable Mg-based thermoelectric devices. Nat. Mater. (2025).https://doi.org/10.1038/s41563-025-02167-0
