东华大学，Nature Materials！
米测MeLab
2025-03-19
研究背景
固态热电技术因其将废热转化为电能的潜力，已成为解决能源浪费和提高能源利用效率的重要技术。该技术能够直接将热能转化为电能，无需机械运动部件，因此特别适合用于回收分散源的废热，广泛应用于钢铁、化工、轻工业及食品加工等领域。然而，固态热电技术的广泛应用受到长期稳定性问题的制约，尤其是电极与热电材料界面处的稳定性。传统的热电材料通常存在接触电阻高、热稳定性差等问题，这些都制约了热电模块在工业环境中的长期应用。与传统的热电材料相比，近年来，研究人员开发了一些新型热电材料，如MgAgSb等，这些材料具有较高的热电性能。然而，热电材料与电极之间的界面反应仍然是限制其稳定性和效率的主要挑战。在长期的工作过程中，电极与热电材料界面的元素扩散、化学反应等会显著降低设备的性能，产生脆性金属间化合物和增加接触电阻，导致热电效率降低、机械失效等问题。为了应对这些问题，研究者们尝试使用接触层材料（如镍或铌）来稳定界面，虽然这些方法能够有效提高热电设备的稳定性，但仍然存在界面反应层过厚导致电阻增大和热膨胀失配等问题。鉴于此，东华大学江莞/王连军、中国科学院上海硅酸盐研究所许钫钫、德国亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心Denys Makarov/张骐昊（现已加入东华大学）等人合作在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Atomic-scale interface strengthening unlocks efficient and durable Mg-based thermoelectric devices”的最新论文。他们通过原子级直接键合设计，成功构建了MgAgSb/Co热电界面，避免了传统界面中形成有害反应层的问题。该团队通过化学键合，将钴（Co）与锑（Sb）原子牢固结合，制备了低接触电阻（2.5 µΩ·cm²）、高粘结强度（60.6 MPa）且具有高热稳定性的MgAgSb/Co热电接触界面。利用这一热稳定的欧姆接触界面，热电模块在温差为287 K时，达到了10.2%的转换效率，并在持续1440小时的热循环过程中表现出几乎无降解的稳定性。该研究有效解决了界面稳定性和高效转换的问题，为热电技术在工业废热回收中的实际应用提供了重要的理论依据和技术路径。
研究亮点
（1）实验首次设计了原子级直接键合界面，并在MgAgSb/Co热电接头中成功实现。通过形成Co与Sb原子之间的强化学键，克服了传统电极与热电材料界面处的稳定性问题。
（2）实验通过优化界面设计，显著降低了界面电阻（2.5 µΩ·cm²），实现了极低的接触电阻，并增强了界面的键合强度（60.6 MPa），使得接头具有较高的热稳定性。
（3）该界面工程有效防止了元素扩散和化学反应，避免了形成有害的界面反应层，保证了热电器件的长期稳定性，提升了器件的机械强度和耐久性。
（4）实验进一步通过将MgAgSb与Mg3SbBi材料结合，制备了热电模块。在287K的温差下，模块的转换效率达到10.2%，超越了现有的MgAgSb/Mg3Sb2模块和Bi2Te3基模块的性能。
（5）通过进行热循环测试，研究表明该模块在经历1,440小时（600个热循环）后，性能几乎无衰退，展示了其在高温条件下的优异稳定性和耐用性。
图文解读
图1. 用于高效且耐用的热电设备的原子级界面设计。图5.高效且耐用的MgAgSb/Mg₃SbBi热电模块。
结论展望
本研究强调了原子级界面工程在提高热电器件效率和耐用性方面的潜力，为其在工业废热回收中的实际应用推进了新的方向。Co/MgAgSb接头通过Co和Sb原子之间稳固的原子级键合，展示了精确界面设计如何有效解决热电技术中的关键挑战，同时优化了界面处的电学、热学和机械性能。通过克服传统接触材料的局限性——如微米级界面反应相的形成和有害元素扩散层的出现——这些发现为界面性能树立了新的标杆。展望未来，成功实现原子级热电界面为利用先进材料（如二维系统）设计量身定制的异质界面微观和纳米结构开辟了有希望的途径，进一步加速了热电器件的发展。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
