空气稳定热电结中自优化接触机制实现持久热能收集的突破性研究

针对热电设备在高温下接触电阻(ρc)易退化这一长期难题，研究人员创新性地开发了Sb/MgAgSb热电结，发现Mg扩散诱导的载流子浓度(n)提升可自发优化ρc，在573K空气老化100天后仍保持8.1%转换效率(η)和0.41 W cm-2功率密度，为物联网(IoT)供能和废热回收提供了革命性解决方案。

　　

在能源危机与碳中和目标的双重驱动下，热电材料(TE materials)因其能将废热直接转化为电能(Seebeck效应)而备受关注。然而，传统热电设备面临"高温魔咒"——金属-半导体接触界面在热应力下会因原子扩散导致接触电阻(ρ_c)急剧上升，最终使器件失效。以明星材料MgAgSb为例，其与银电极的接触电阻在12小时内就会从6.1μΩ cm²暴增至100.6μΩ cm²，严重制约实际应用。

中国科学院深圳先进技术研究院的Airan Li、Longquan Wang等研究人员在《Nature Communications》发表突破性成果。他们另辟蹊径地采用半金属锑(Sb)作为界面材料(TEiM)，意外发现Mg从MgAgSb向Sb的扩散非但不会劣化界面，反而能通过"自优化"机制将ρ_{c降低至初始值的1/3。这种反直觉现象源于Mg流失导致的载流子浓度(n)提升，使电子隧穿概率增加，最终实现接触电阻的"越用越好"。基于该技术制备的热电器件在294K温差下创下8.1%的转换效率，功率密度达0.41 W cm^-2，且经100天空气老化后性能零衰减。}

关键技术方法包括：机械合金化制备Mg_1-xAgSb粉体，放电等离子烧结(SPS)成型；四探针法测量接触电阻；SEM-EDS联用分析元素扩散行为；第一性原理计算材料态密度(DOS)；搭建两对热电偶模块进行功率输出测试。

【自优化ρ_c的发现】

通过探针距离-电阻关系曲线（图1a）首次捕捉到老化过程中界面电阻的"不降反升"现象：30天老化后Sb/MgAgSb的ρ_c从初始15.8μΩ cm²降至5.3μΩ cm²，而传统Ag/MgAgSb结同期ρ_c增长超16倍。

【结构演化机制】

元素面扫描（图2f）揭示Mg的跨界面扩散形成10μm厚的Mg₃Sb₂过渡层，同时MgAgSb侧因Mg缺失产生Ag₃Sb金属相。这种独特的"Mg上坡扩散"打破传统认知——通常Sb会向电极扩散导致性能劣化。

【载流子调控效应】

通过人工制备Mg缺位样品（图3c）验证：当x=0.1时，Mg_0.9AgSb的ρ_c比化学计量比样品降低58%。DOS计算显示Ag₃Sb金属相与高n值半导体形成类欧姆接触，使势垒宽度(W)从5.2nm缩至1.8nm，电子隧穿概率提升7倍。

【器件性能验证】

两对热电偶测试（图4i）显示：采用Sn焊料直接焊接的Sb电极接触电阻仅2.4μΩ cm²，器件在ΔT=294K时输出功率达41mW/cm²，优于90%已报道的室温热电模块。

这项研究颠覆了"界面扩散必然有害"的传统认知，提出"缺陷工程诱导自优化"的新范式。其科学价值在于：首次揭示Mg扩散可通过调控载流子浓度而非单纯抑制扩散来实现接触优化；工程意义在于：Sb电极兼具低成本（仅为Ag的1/20）、易焊接（接触电阻<3μΩ cm²）和空气稳定性三大优势，使MgAgSb基器件的寿命从12小时延长至100天以上，为物联网传感器供能和工业废热回收提供了商业化解决方案。该机制有望拓展至其他高温半导体器件界面设计，推动热电技术从实验室走向规模化应用。