【哈工大（深圳）宣】（材料科学与工程学院 文/图）近日，材料科学与工程学院张倩教授团队在高性能热电器件领域研究取得重要进展，提出了一种基于CALPHAD（CALculation of PHAse Diagram）方法与纳米银低温烧结技术的热电器件全链条制备方案，突破了热电器件连接瓶颈。该研究成果以“CALPHAD accelerated design of advanced full-Zintl thermoelectric device”为题发表于《自然•通讯》(Nature Communications)上。

热电器件可以实现热能与电能之间直接相互转换，是一类重要的能量转换器件。接触层是热电器件的重要组成部分，在热电材料和金属电极之间起到隔离、防止扩散的作用。目前接触层材料的设计选择主要基于实验法，即通过重复实验或高通量实验制备多种异质界面、筛选可用的金属元素或者合金。然而，这类试错法筛选范围有限、耗时耗力，难以形成指导理论推广到其他热电材料体系中。而基于密度泛函理论计算筛选接触层材料的方法，由于仅描述材料在理想状态下的性质，与实际应用往往存在较大差异。

CALPHAD方法不同于密度泛函理论相图计算，是基于热力学理论建立材料体系各相的Gibbs自由能模型，通过拟合实验、第一性原理计算以及经验公式获得的不同类型数据来优化模型参数，最终为多元多相材料构建完备的热力学数据库。采用CALPHAD方法获得的热力学数据库可以准确描述宽成分、温度和压力范围内的热力学性质，由此获得的平衡相图能够广泛地指导新型接触层材料的设计与研制。

针对上述研究现状，张倩教授团队提出基于CALPHAD方法筛选热电器件接触层材料的策略，阐明了两相平衡区域与热电接头界面结构的对应关系。以Zintl相器件为例，团队成功应用CALPHAD技术建立了Mg-Ni-Sb三元系热力学数据库，筛选出在服役温区内（室温至773 K）与n型Mg3Sb2基材料平衡共处的Mg2Ni作为接触层材料。采用低温纳米银烧结工艺制备的n型单腿Mg3Sb2基器件的效率可达13.3％。在673 K下时效处理800 h后界面形态、界面接触电阻及连接强度均无显著变化，与p型YbZn2Sb2基材料组建的全Zintl相热电器件在430 K的温差下获得了11%的发电效率（为目前全Zintl相器件最高值）。该策略旨在建立热电材料体系完善的相图热力学数据库，极大地拓展了热电器件接触层材料的研究范围，简化了热电器件的开发周期，对于热电领域的发展具有重要意义。

该论文第一完成单位为哈工大（深圳），博士后尹力为第一作者，博士后李孝芳为共同第一作者。哈工大（深圳）张倩教授为本文唯一通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技计划等项目的支持。（编辑 丁波皓 审核 林坤）

图1 |高性能Zintl相热电器件的设计与制备。（a）构建Mg-Ni-Sb多元计算相图筛选接触层材料，（b）热电器件的结构示意图，（c）引入纳米银低温烧结技术实现器件的低损耗连接，（d）在不同温度下转换效率对比，（e）在热循环工况下的转换效率稳定性，（f）原料成本与最优转换效率对比