第一作者：Wusheng Zuo, Hongyi Chen, Ziyi Yu, Yuntian Fu

通讯作者：Wan Jiang、Qihao Zhang、Fangfang Xu、Lianjun Wang

通讯单位：东华大学、德国德累斯顿离子束物理与材料研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所

论文doi：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02167-0

一、背景介绍

热电技术能够直接将废热转化为电能，在工业节能和碳中和领域具有重要潜力。然而，热电器件的长期稳定性问题，尤其是电极与热电材料界面处的性能退化，严重阻碍了其实际应用。传统界面设计中，电极与热电材料之间易发生元素扩散和化学反应，形成微米级界面反应层，导致接触电阻增加、机械强度下降以及热应力累积，最终降低器件效率和寿命。尽管近年来热电材料本身的性能（如无量纲优值 𝑧𝑇zT）已显著提升，但界面问题仍是制约器件实用化的关键瓶颈。

本文以镁基热电材料（如 MgAgSb 和 Mg3SbBi）为研究对象，提出了一种原子级直接键合界面设计策略。通过在高通量筛选中发现钴（Co）作为理想接触层，研究者成功构建了低电阻、高强度的 Co/MgAgSb 界面，并通过实验与理论计算揭示了其稳定机制。这一突破性设计不仅显著提升了热电模块的转换效率，还实现了超过 1,440 小时的热循环稳定性，为热电技术在工业废热回收中的大规模应用奠定了基础。

二、本文亮点

1.原子级直接键合界面：通过 Co 与 Sb 原子的强共价键形成低电阻（2.5 μΩ cm²）、高强度（60.6 MPa）的界面，避免传统微米级反应层的缺陷。

2.超高转换效率与稳定性：MgAgSb/Mg3SbBi 模块在 287 K 温差下实现 10.2% 的转换效率，并在 600 次热循环后性能无衰减。

3.高通量筛选与理论验证结合：通过实验筛选与密度泛函理论（DFT）计算，阐明 Co/MgAgSb 界面的热力学稳定性和电荷传输机制。

三、图文解析

图1 原子界面设计对热电器件性能的影响

要点：

1、界面设计对比如图1a所示。传统界面（Type I）：电极与热电材料间因扩散和反应形成微米级界面层，导致电阻升高和机械失效；原子界面（Type II）：通过 Co 与 Sb 的原子级键合，避免反应层形成，维持界面电学与机械性能的长期稳定。

2、效率衰减机制如图1b所示。传统界面因反应层厚度（θ）增加导致接触电阻（ρ𝑐c）上升，器件效率（ηmaxmax）随时间显著下降；原子界面则保持稳定。

3、新型 MgAgSb/Mg3SbBi 模块在 287 K 温差下的效率（10.2%）远超传统镁基和 Bi22Te33 基模块（6-8%）。热循环测试中，模块在 1,440 小时内效率无衰减，证明其卓越耐久性。

图2 界面电学特性分析

要点：

1、通过交替堆叠金属候选材料与 MgAgSb 粉末，一步烧结后测量界面电阻，快速筛选出 Co 作为最优接触层。

2、Co/MgAgSb 的初始接触电阻仅 2.5 μΩ cm²，远低于 Ag（5.6 μΩ cm²）和 Cu（188 μΩ cm²），且热老化后仍保持稳定。

3、电荷密度与导电机制如图2f-g所示。DFT 计算显示 Co/Sb 界面电子局域化更强，形成共价键，促进电荷传输；而 Ag 界面电子分布分散，导电性较差。

图3 界面微观结构与稳定性机制

要点：

1、HAADF-STEM 显示 Co/MgAgSb 界面元素分布陡峭，无扩散或反应层；高分辨 TEM 证实界面为无序非共格结构。

2、573 K 热老化 7 天后，界面元素分布与厚度不变，分子动力学模拟表明 Co 原子迁移能垒高，抑制扩散。

3、界面反应焓趋近于零，热力学上不利；原子探针层析显示 Co 在 MgAgSb 基体中浓度极低，进一步验证界面惰性。

图4 界面结合强度与机械稳定性

图5 热电模块性能与耐久性

要点：

1、Co/MgAgSb 界面剪切强度达 60.6 MPa，是商用 Bi22Te33/Ni 界面的 3 倍，归因于 Co-Sb 共价键的高结合能。电子局域函数（ELF）显示 Co 与 Sb 间电子高度共享，形成强共价键，而 Ag 界面电子分布松散。

2、界面切割至 200 μm × 200 μm 仍保持完整，优于易碎裂的 Bi22Te33 基材料，凸显其机械可靠性。材料性能对比如图5a所示，p 型 MgAgSb 和 n 型 Mg3SbBi 的 𝑧𝑇zT 值在 300-600 K 范围内均优于商用 Bi22Te33，支持高效能量转换。

3、模块在 287 K 温差下输出功率 0.61 W（功率密度 0.61 W cm⁻²），效率 10.2%；600 次热循环后性能无衰减。3D X 射线显微成像显示热循环后所有组件与界面完好，EDS 证实元素无迁移，验证长期可靠性。

四、总结展望

本研究通过原子级界面工程成功解决了热电器件长期稳定性与效率难以兼得的难题。Co/MgAgSb 界面凭借 Co 与 Sb 的强共价键合，实现了超低接触电阻（2.5 μΩ cm²）、高剪切强度（60.6 MPa）以及 573 K 下的热稳定性，使 MgAgSb/Mg3SbBi 模块在 287 K 温差下效率突破 10%，并在 1,440 小时热循环中性能零衰减。

这一成果不仅为热电器件的界面设计提供了新范式，还通过高通量筛选与多尺度理论计算的结合，揭示了原子级键合对电荷传输和机械稳定性的调控机制。未来，该策略可拓展至其他热电材料体系（如二维材料），推动高效、耐用的热电技术在工业废热回收和分布式能源中的规模化应用。