哈工大张倩、毛俊教授团队成功研制铋化镁基微型热电制冷器件

哈工大全媒体（阚思邈 李晓慧 毛俊 林晨浩/文 毛俊 林晨浩/图）近日，深圳校区前沿学部材料科学与工程学院张倩、毛俊教授团队在铋化镁基热电器件领域取得重要研究进展。团队成功开发出铋化镁基微型热电制冷器件，在室温下实现了59.0开尔文（K）制冷温差和5.7瓦每平方厘米（W cm^-2）的制冷功率密度以及65开尔文每秒（K s^-1）的高冷却速度。该器件已应用于单片机的中央处理器，实现了温度有效降低。该研究成果以《用于电子器件热管理的微型铋化镁基热电制冷器件开发》（Miniaturized Mg₃Bi₂-based thermoelectric cooler for localized electronic thermal management）为题发表于《自然通讯》(Nature Communications)。

热电器件能够直接利用电能实现热量的定向传输，该固态制冷过程无需制冷剂且无机械振动。微型热电制冷器件凭借其高制冷功率密度和快速响应特性，在电子设备热管理领域展现出重要应用价值。目前，商用微型热电制冷器件主要基于碲化铋材料。与之相比，铋化镁基合金不仅具备优异的热电性能，还拥有出色的机械性能以及更低的原料成本。因此，开发基于铋化镁基材料的新型微型热电制冷器件，有望为热管理领域提供新的解决方案。然而在制冷器件微型化过程中，界面接触电阻所带来的不可逆损耗增大，会严重劣化器件的制冷性能（图1a）。因此，铋化镁基热电器件的微型化面临诸多挑战，一方面，需在铋化镁基热电臂的界面处实现低接触电阻、高结合强度，并避免有害界面反应；另一方面，还需同时解决多层结构在微型化过程中的制备难题。

为解决上述问题，张倩、毛俊教授团队选用镁镍合金（Mg₂Ni）作为铋化镁基合金的接触层材料。首先，通过放电等离子体烧结工艺连接镁镍合金与铋化镁基材料，实现了两者间低界面接触电阻。随后，通过机械拋光减薄接触层厚度，并在镁镍合金表面磁控溅射铜薄膜，以改善焊接性能并进一步减薄金属化层。最终，通过多层结构设计，构建了铋化镁基热电臂（图1b）。测试表明，铋化镁基热电臂与金属电极之间的异质界面接触电阻仅为1.0微欧姆平方厘米（μΩ cm²）（图1c）。将8对尺寸为1×1×1立方毫米（mm³）的n型和p型热电臂集成在6×6平方毫米（mm²）的氮化铝覆铜陶瓷基板上，制备完成铋化镁基微型热电制冷器件。相较此前报道的铋化镁基热电制冷器件，该器件在室温下的制冷功率密度高达5.7瓦每平方厘米（W cm^-2），提升幅度达3.5倍（图1d）。同时，该器件在室温下可实现最大制冷温差59.0开尔文（K），以及峰值制冷速度65开尔文每秒（K s^-1）（图1e）。该铋化镁基微型热电制冷器件可有效降低单片机中央处理器（CPU）的工作温度（图1f）。在服役稳定性测试中，其历经270小时、约3000次1安培每平方毫米（A mm^-2）与3安培每平方毫米（A mm^-2）工作电流循环后，仍能保持98%的初始制冷性能，表现出优异的稳定性。

图1 铋化镁基微型热电制冷器件。（a）器件微型化过程中，界面接触电阻对器件制冷性能影响，（b）铋化镁基热电臂结构示意图，（c）铋化镁基热电臂界面接触电阻，（d）不同铋化镁基热电器件的制冷功率密度对比，（e）铋化镁基微型热电器件制冷速度，（f）为单片机中央处理器提供的制冷效果，（g）服役稳定性测试结果。

深圳校区为论文第一完成单位。深圳校区硕士研究生林晨浩为论文第一作者，博士后马晓静为论文共同第一作者，教授张倩、毛俊为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、广东省重点研发项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划等项目支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-63174-y