近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張倩團(tuán)隊(duì)在高性能熱電器件領(lǐng)域研究取得重要進(jìn)展，提出了一種基于相圖計(jì)算的方法與納米銀低溫?zé)Y(jié)技術(shù)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(fā)表于《自然—通訊》上。
熱電器件可以實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間直接相互轉(zhuǎn)換，是一類重要的能量轉(zhuǎn)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(kuò)散的作用。
目前接觸層材料的設(shè)計(jì)選擇主要基于實(shí)驗(yàn)法，即通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)或高通量實(shí)驗(yàn)制備多種異質(zhì)界面、篩選可用的金屬元素或者合金。這類試錯(cuò)法篩選范圍有限、耗時(shí)耗力，難以形成指導(dǎo)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(jì)算篩選接觸層材料的方法，由于僅描述材料在理想狀態(tài)下的性質(zhì)，與實(shí)際應(yīng)用往往存在較大差異。
相圖計(jì)算方法不同于密度泛函理論相圖計(jì)算，是基于熱力學(xué)理論建立材料體系各相的吉布斯自由能模型。采用相圖計(jì)算方法獲得的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫可以準(zhǔn)確描述寬成分、溫度和壓力范圍內(nèi)的熱力學(xué)性質(zhì)，由此獲得的平衡相圖能夠廣泛地指導(dǎo)新型接觸層材料的設(shè)計(jì)與研制。
在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)提出基于相圖計(jì)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(qū)域與熱電接頭界面結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
以Zintl相器件為例，團(tuán)隊(duì)成功應(yīng)用相圖計(jì)算技術(shù)，建立了三元系熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，篩選出在服役溫區(qū)內(nèi)（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(jié)工藝制備的n型單腿Mg3Sb2基器件的效率可達(dá)13.3％。
在673開氏度下時(shí)效處理800小時(shí)后界面形態(tài)、界面接觸電阻及連接強(qiáng)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(fā)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(xué)數(shù)據(jù)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(fā)周期，對(duì)于熱電領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。
