固态热电技术可以实现热能与电能之间的直接相互转换，在航天探测器以及微型电子器件精准控温等方面具有广泛的应用前景。在热电材料研究领域，常通过构建纳米尺度的晶粒或者多孔结构来有效降低材料晶格热导率，从而提升材料的热电性能。然而在实际应用中，具有纳米尺度晶粒的材料在高温环境服役过程中，面临着晶粒长大乃至蠕变的问题，从而导致材料性能衰减乃至器件失效；而材料中的多孔结构也会影响载流子输运，有可能导致材料电性能的下降。截至目前，这仍然是热电领域极为重要的两个科学问题。
西安交大材料学院材料强度组武海军教授与哈尔滨工业大学研究团队通力合作，结合高能球磨合金化和热压烧结，在MgAgSb热电材料中同时构建了超细纳米晶（平均晶粒约为93nm）和多尺度纳米孔洞两种缺陷结构，获得了接近MgAgSb材料非晶极限的晶格热导率和超过目前所有MgAgSb基材料的热电优值。与高性能的n型Mg3.2(Bi, Sb)2热电材料组成的热电器件的制冷性能超过了先前报道的非Bi2Te3热电器件的性能。该研究创新性地将细晶结构和纳米多孔结构应用到热电制冷器件中，显著提升了制冷性能并避免了材料性能的高温衰减。
以上研究成果以《超细晶和纳米多孔材料的高效热电制冷性能》（Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials）为题发表在《Materials Today》《今日材料》上。
西安交通大学材料学院硕士生刘子雨为共同一作，博士生彭古扬为共同作者，材料学院武海军教授为共同通讯作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心在电镜微结构表征方面的鼎力支持。
该合作团队进一步在热电界面材料智能设计和高效器件研制领域取得了关键突破实现了在300度温差下9.25%的热能到电能转化效率有望提高能源利用效率研究成果发表在《科学》（Science）上。
热电发电机（温差发电器）是一种可直接将热能转化为电能的装置，对于发电和重新利用其他释放热能的应用中具有重要价值。放射性同位素热电发电机就是一个很好的例子，四十多年来，它一直为外太空的旅行者号探测器提供动力。在过去一段时间，热电材料的性能取得了惊人的进步。除了材料本身的热电特性外，热电材料与电极之间的界面对设备的输出性能和长期稳定性也有相当大的影响。在运行过程中，界面上的原子扩散和化学反应会导致设备不稳定和降解，尤其是在高温条件下。为了消除这些不利影响，必须采用高效稳定的原子扩散屏障，即热电界面材料（TEiM）。传统的热电界面材料选择标准围绕着匹配热膨胀以实现机械稳健性和调整功函数以实现低接触电阻这两个方面。然而，由于缺乏坚固耐用的材料构成设备内电极与热电材料之间的界面，热电材料在热电发生器中的应用一直受到阻碍。
为了解决这一难题，合作团队开发了一种根据密度泛函理论计算得出的相图预测结果对TeiM进行筛选的策略。通过将相图与潜在反应产物的电阻率和熔点相结合，作者发现半金属 MgCuSb 是高性能 MgAgSb 的可靠TEiM。MgCuSb/MgAgSb 结即使在 553 开尔文温度下退火 16 天，也能表现出较低的界面接触电阻率。在300开尔文的温度梯度下，制造出的两对 MgAgSb/Mg3.2Bi1.5Sb0.5 模块的转换效率高达 9.25%。作者对模块性能进行了国际循环测试，以确认测量的可靠性。该策略可应用于其他热电材料，填补了热电模块开发领域的重要空白。
相关成果以“Screening strategy for developing thermoelectric interface materials”（热电界面材料开发筛选策略）为题发表在《Science
西安交通大学材料学院博士生彭古扬和武海军教授为共同作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心在电镜微结构表征方面的鼎力支持。
近日，该合作团队基于该复合策略做进一步研究。持续的热电研究集中于提升发电机的转换效率，而同时实现高输出功率仍显不足。特别是，目前报道的基于Mg的模块的最高输出功率密度仅为商用Bi2Te3模块的一半，主要归因于MgAgSb的低功率因子。在本研究中，MgAgSb基体中均匀分布的MgCuSb原位析出纳米颗粒，由于金属-半导体欧姆接触的载流子注入效应，有效优化了载流子浓度。因此，在300-550 K的温度范围内，MgCu0.1Ag0.87Sb复合材料实现了创纪录的平均功率因子27.2 μW cm−1 K−2，远高于MgAgSb系统的先前报道值。得益于p腿优化的平均功率因子与低界面电阻率的结合，制备的八对MgCu0.1Ag0.87Sb0.99/Mg3.2Bi1.5Sb0.5模块在300 K的温度差下展现出前所未有的高输出功率密度2.9 W cm−2，优于所有低温先进热电模块。同时，实现了7.65%的竞争力转换效率。这项工作显著推进了Mg基模块在低温可持续能源收集领域的高功率热电应用。
相关成果以“Semiconductor–Semimetal Composite Engineering Enabling Record-High Thermoelectric Power Density for Low-Temperature Energy Harvesting”（半导体-半金属复合材料工程，实现低温能量收集的创纪录热电功率密度）为题发表在《Advanced Functional Materials
西安交通大学材料学院博士生彭古扬为共同一作，武海军教授为共同作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心在电镜微结构表征方面的鼎力支持。
文章来源：西安交通大学
