【哈工大（深圳）宣】（材料学院 文/图）近日，哈工大深圳校区材料科学与工程学院张倩、毛俊教授团队在铋化镁基热电制冷材料与器件领域取得重要研究进展，团队成功生长出大尺寸、高性能Mg3(Sb, Bi)2单晶，设计并开发出了可实现106.8 K最大制冷温差的双级制冷器件。该研究成果以《面向电子器件冷却的亚室温区热电材料性能优化策略》（Elevating thermoelectric performance in the sub-ambient temperature range for electronic refrigeration）为题发表于《创新》(The Innovation)。

全固态热电制冷器件利用帕尔贴效应实现电能与热能的直接转换，被广泛应用于电子元件精密控温与集成芯片热管理等领域。热电器件的制冷性能可通过最大制冷温差（DT）与制冷性能系数（COP）进行评估。热电材料在亚室温区的热电优值（zT）对器件的制冷性能起到了决定性作用。自1950年代以来，Bi2Te3基合金因其优异的近室温热电性能，一直是商业热电制冷技术中唯一使用的制冷材料。然而，Bi2Te3基热电材料机械性能差、地壳丰度低以及原料价格高昂限制了热电制冷器件大规模应用。因此开发出在亚室温具有更高热电优值、经济适用且易于加工的热电材料对热电制冷技术的发展具有重要意义。

为解决这一问题，张倩、毛俊教授团队制备了大尺寸Mg3Bi1.497Sb0.5Te0.003单晶热电材料（图1a）。高质量单晶消除显著地降低了缺陷浓度，从而有效提升载流子迁移率。如图1b所示，沿ab方向的载流子迁移率在250 K约为       。迁移率的优化实现了亚室温热电优值的显著提升，沿单晶ab方向的zT值在250 K达到0.87，其室温下约为1.05，显著高于商用n型Bi2Te3合金（图1c）。结合有限元仿真和多级器件组装与互连工艺开发了基于n型Mg3Bi1.497Sb0.5Te0.003/p型(Bi, Sb)2Te3的双级制冷器件（上层7对热电臂、下层17对热电臂）。利用自主开发的器件性能测试系统对该双级器件在不同热端温度下的制冷性能进行了表征（图1d）。在热端温度为350 K时，双级器件可实现的最大制冷温差为106.8 K，最大制冷量为2.7 W（图1e）。该双级器件在热端温度为303 K、325 K及350 K时，分别实现了83.1 K, 94.5 K及106.8 K的最大制冷温差，与理论预测值相符（图1f）。为了进一步验证器件的稳定性与可靠性，在1 A和3 A循环测试器件的制冷性能超2000次，结果表明该双级器件在320小时内的最大制冷温差并未出现衰减。

图 1 Mg3Bi1.497Sb0.5Te0.003单晶材料热电性能与器件制冷性能。（a）沿[0001]方向的单晶X射线衍射图谱；（b）Mg3Bi1.497Sb0.5Te0.003单晶热电材料在150 - 600 K下沿ab和c方向的载流子迁移率；（c）Mg3Bi1.497Sb0.5Te0.003单晶与商用n型Bi2(Te, Se)3热电材料在200 - 600 K温度范围内的热电优值对比（zT）；（d）单晶Mg3Bi1.497Sb0.5Te0.003/(Bi, Sb)2Te3双级制冷器件性能测装置图；（e）热端温度为350 K时，器件制冷量随制冷温差的变化趋势；（f）热端温度为303 K、325 K和350 K时，实验与仿真最大制冷温差随归一化电流的变化趋势，（g）在1 A和3 A电流下器件制冷性能循环测试结果。

哈工大深圳校区为论文第一完成单位，博士后马晓静为论文第一作者，2022级硕士研究生林晨浩和2021级硕士研究生杨恒宇为论文共同第一作者。毛俊教授和张倩教授为论文共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划、深圳高校稳定支持计划等项目的支持。（编辑 谢梁晖 审核 张惠屏）