近日，哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院教授張倩團隊在高性能熱電器件領域研究取得重要進展，提出了一種基于相圖計算的方法與納米銀低溫燒結技術的熱電器件全鏈條制備方案，突破了熱電器件連接瓶頸。該研究成果發表于《自然—通訊》上。
熱電器件可以實現熱能與電能之間直接相互轉換，是一類重要的能量轉換器件。接觸層是熱電器件的重要組成部分，在熱電材料和金屬電極之間起到隔離、防止擴散的作用。
目前接觸層材料的設計選擇主要基于實驗法，即通過重復實驗或高通量實驗制備多種異質界面、篩選可用的金屬元素或者合金。這類試錯法篩選范圍有限、耗時耗力，難以形成指導理論推廣到其他熱電材料體系中。另外，基于密度泛函理論計算篩選接觸層材料的方法，由于僅描述材料在理想狀態下的性質，與實際應用往往存在較大差異。
相圖計算方法不同于密度泛函理論相圖計算，是基于熱力學理論建立材料體系各相的吉布斯自由能模型。采用相圖計算方法獲得的熱力學數據庫可以準確描述寬成分、溫度和壓力范圍內的熱力學性質，由此獲得的平衡相圖能夠廣泛地指導新型接觸層材料的設計與研制。
在該研究中，研究團隊提出基于相圖計算方法篩選熱電器件接觸層材料的策略，闡明了兩相平衡區域與熱電接頭界面結構的對應關系。
以Zintl相器件為例，團隊成功應用相圖計算技術，建立了三元系熱力學數據庫，篩選出在服役溫區內（室溫至773開氏度）與n型Mg3Sb2基材料平衡共處的Mg2Ni作為接觸層材料。采用低溫納米銀燒結工藝制備的n型單腿Mg3Sb2基器件的效率可達13.3％。
在673開氏度下時效處理800小時后界面形態、界面接觸電阻及連接強度均無顯著變化，與p型YbZn2Sb2基材料組建的全Zintl相熱電器件在430開氏度的溫差下獲得了11%的發電效率，是為目前全Zintl相器件的最高值。
該研究旨在建立熱電材料體系完善的相圖熱力學數據庫，拓展了熱電器件接觸層材料的研究范圍，簡化了熱電器件的開發周期，對于熱電領域的發展具有重要意義。
