研究背景
固態熱電技術因其將廢熱轉化為電能的潛力，已成為解決能源浪費和提高能源利用效率的重要技術。該技術能夠直接將熱能轉化為電能，無需機械運動部件，因此特別適合用于回收分散源的廢熱，廣泛應用于鋼鐵、化工、輕工業及食品加工等領域。然而，固態熱電技術的廣泛應用受到長期穩定性問題的制約，尤其是電極與熱電材料界面處的穩定性。傳統的熱電材料通常存在接觸電阻高、熱穩定性差等問題，這些都制約了熱電模塊在工業環境中的長期應用。與傳統的熱電材料相比，近年來，研究人員開發了一些新型熱電材料，如MgAgSb等，這些材料具有較高的熱電性能。然而，熱電材料與電極之間的界面反應仍然是限制其穩定性和效率的主要挑戰。在長期的工作過程中，電極與熱電材料界面的元素擴散、化學反應等會顯著降低設備的性能，產生脆性金屬間化合物和增加接觸電阻，導致熱電效率降低、機械失效等問題。為了應對這些問題，研究者們嘗試使用接觸層材料（如鎳或鈮）來穩定界面，雖然這些方法能夠有效提高熱電設備的穩定性，但仍然存在界面反應層過厚導致電阻增大和熱膨脹失配等問題。鑒于此，東華大學江莞/王連軍、中國科學院上海硅酸鹽研究所許鈁鈁、德國亥姆霍茲德累斯頓-羅森多夫研究中心Denys Makarov/張騏昊（現已加入東華大學）等人合作在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Atomic-scale interface strengthening unlocks efficient and durable Mg-based thermoelectric devices”的最新論文。他們通過原子級直接鍵合設計，成功構建了MgAgSb/Co熱電界面，避免了傳統界面中形成有害反應層的問題。該團隊通過化學鍵合，將鈷（Co）與銻（Sb）原子牢固結合，制備了低接觸電阻（2.5 μΩ·cm2）、高粘結強度（60.6 MPa）且具有高熱穩定性的MgAgSb/Co熱電接觸界面。利用這一熱穩定的歐姆接觸界面，熱電模塊在溫差為287 K時，達到了10.2%的轉換效率，并在持續1440小時的熱循環過程中表現出幾乎無降解的穩定性。該研究有效解決了界面穩定性和高效轉換的問題，為熱電技術在工業廢熱回收中的實際應用提供了重要的理論依據和技術路徑。
研究亮點
（1）實驗首次設計了原子級直接鍵合界面，并在MgAgSb/Co熱電接頭中成功實現。通過形成Co與Sb原子之間的強化學鍵，克服了傳統電極與熱電材料界面處的穩定性問題。
（2）實驗通過優化界面設計，顯著降低了界面電阻（2.5 μΩ·cm2），實現了極低的接觸電阻，并增強了界面的鍵合強度（60.6 MPa），使得接頭具有較高的熱穩定性。
（3）該界面工程有效防止了元素擴散和化學反應，避免了形成有害的界面反應層，保證了熱電器件的長期穩定性，提升了器件的機械強度和耐久性。
（4）實驗進一步通過將MgAgSb與Mg3SbBi材料結合，制備了熱電模塊。在287K的溫差下，模塊的轉換效率達到10.2%，超越了現有的MgAgSb/Mg3Sb2模塊和Bi2Te3基模塊的性能。
（5）通過進行熱循環測試，研究表明該模塊在經歷1,440小時（600個熱循環）后，性能幾乎無衰退，展示了其在高溫條件下的優異穩定性和耐用性。
圖文解讀
圖1. 用于高效且耐用的熱電設備的原子級界面設計。圖5.高效且耐用的MgAgSb/Mg?SbBi熱電模塊。
結論展望
本研究強調了原子級界面工程在提高熱電器件效率和耐用性方面的潛力，為其在工業廢熱回收中的實際應用推進了新的方向。Co/MgAgSb接頭通過Co和Sb原子之間穩固的原子級鍵合，展示了精確界面設計如何有效解決熱電技術中的關鍵挑戰，同時優化了界面處的電學、熱學和機械性能。通過克服傳統接觸材料的局限性——如微米級界面反應相的形成和有害元素擴散層的出現——這些發現為界面性能樹立了新的標桿。展望未來，成功實現原子級熱電界面為利用先進材料（如二維系統）設計量身定制的異質界面微觀和納米結構開辟了有希望的途徑，進一步加速了熱電器件的發展。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
