高性能集成MgAgSb-MgCuSb系统的热电性能图谱构建及其在无碲热电模块中的应用

《Advanced Science》：Thermoelectric Property Mapping for High-Performance Integrated MgAgSb-MgCuSb System

本文报道了一种通过调控Ag/Cu比例构建集成MgAgSb-MgCuSb两相系统热电性能图谱的创新策略。研究发现富银组分（如MgAg0.97Cu0.03Sb）作为热电材料（TEM）表现出优异功率因子（PF~21 μW cm-1K-2）和品质因子（zT=1.12），而富铜组分（MgAg0.05Cu0.95Sb）凭借高电导率（σ）和热导率（κ）成为理想界面材料（TEiM）。基于此开发的二对热电模块实现了~7.2%的峰值转换效率（η），为无碲热电模块产业化提供了新范式。

　　

热电性能图谱构建与材料设计创新

本研究通过精确调控Ag/Cu化学计量比，成功构建了MgAgSb-MgCuSb二元体系的热电性能图谱。X射线衍射（XRD）分析揭示了随着Cu含量增加，材料从α-MgAgSb单相逐渐转变为MgAgSb/MgCuSb两相共存结构。当Cu含量达到3%时，体系中出现约2.77%的MgCuSb纳米沉淀相，这种原位形成的第二相为优化热电传输性能提供了新途径。

富银侧热电材料的性能优化机制

在Ag-rich区域（x=0.97-1），微量Cu掺杂通过两种机制协同提升热电性能：一方面Cu原子进入Ag空位形成掺杂效应，将载流子浓度（n_H）从3.95×10¹⁹cm^-3提升至6.06×10¹⁹cm^-3；另一方面MgCuSb第二相与基体形成欧姆接触，通过化学势差驱动电荷转移产生额外空穴。这使得电导率（σ）在300K时提升70%，功率因子（PF）在323K达到20.9 μW cm^-1K^-2的峰值。同时，纳米沉淀相有效散射声子，使晶格热导率（κ_L）在573K时降低30%至0.23 W m^-1K^-1，最终实现zT值在473K达到1.12的突破性性能。

富铜侧界面材料的设计准则

对于TEiM材料，研究发现了与传统TEM截然不同的性能需求：高电导率（σ≈1.2×10⁶S m^-1）和高热导率（κ≈10.2 W m^-1K^-1）成为优选指标。特别值得注意的是，适量Ag掺杂（x=0.05）的MgAg_0.05Cu_0.95Sb相比纯MgCuSb展现出更优的综合性能，其密度提升至5.18 g mm^-3，维氏硬度显著提高，这保证了界面在热循环过程中的机械稳定性。

界面接触电阻的突破性成就

通过构建MgAg_0.05Cu_0.95Sb/TEM/MgAg_0.05Cu_0.95Sb三明治结构单腿器件，测得接触电阻率（ρ_c）低至6.27 μΩ·cm²，较传统界面材料降低31%。加速老化实验表明，该界面在573K环境下保持20天仍维持稳定接触，界面电阻率变化小于5%，满足实际应用对耐久性的要求。

模块集成与能量转换效率验证

将优化后的p型MgAg_0.97Cu_0.03Sb与n型Mg_3.2Bi_1.5Sb_0.45Te_0.05In_0.02组建成二对模块，在热端温度593K、温差293K条件下，获得最大输出功率0.36W，功率密度达0.36 W cm^-2。最关键的是，模块实现了7.2%的峰值转换效率，这一数值显著超越了已报道的镁基热电模块性能，甚至可与商用Bi₂Te₃基器件相媲美。

产业化前景与科学价值

本研究首创的"性能图谱"设计理念，突破了传统热电材料与界面材料分离优化的局限。通过单一二元体系实现TEM与TEiM的协同设计，为解决热电模块中材料兼容性、界面稳定性等关键技术难题提供了新思路。特别在碲元素稀缺的背景下，该工作推动的无碲热电模块技术路线，对实现可持续能源转换技术具有重要战略意义。