熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換，在廢熱回收、固態(tài)制冷以及自供能電子系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。在眾多熱電材料體系中，n型Mg3(Sb, Bi)2?基熱電材料因其組成元素來源豐富、環(huán)境友好以及具有優(yōu)異的熱電性能等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。與塊體材料相比，對n型Mg3(Sb, Bi)2基薄膜材料的研究明顯滯后，其制備條件與性能調(diào)控仍面臨諸多挑戰(zhàn)。該薄膜材料體系的發(fā)展主要受到以下兩方面關(guān)鍵問題的制約：首先，多元鎂基合金薄膜的成分協(xié)同調(diào)控難度較大。鎂元素具有較高的飽和蒸氣壓，在制備薄膜過程中極易揮發(fā)，從而導(dǎo)致薄膜中形成大量鎂空位缺陷。這些空位不僅破壞了材料的化學(xué)計(jì)量比，還會顯著影響載流子輸運(yùn)行為，使得通過調(diào)控載流子濃度來優(yōu)化熱電性能變得十分困難。其次，n型Mg3(Sb, Bi)2薄膜材料的摻雜過程相較塊體材料更具挑戰(zhàn)性。受限于多元合金薄膜沉積過程中的不穩(wěn)定性，摻雜元素的濃度及其空間分布難以精確控制，從而嚴(yán)重制約了薄膜熱電性能的進(jìn)一步提升。
近期，針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心的邰凱平研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于雙缺陷工程的調(diào)控策略，采用多靶磁控共濺射技術(shù)成功制備高性能n型Mg3(Sb, Bi)2基熱電薄膜。通過在沉積過程中引入過量鎂元素，有效抑制了鎂空位的形成，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定?n 型導(dǎo)電行為提供了有利條件；同時，通過調(diào)控碲（Te）對鉍（Bi）的部分取代，引入額外電子以實(shí)現(xiàn)載流子濃度的精細(xì)調(diào)節(jié)?；谠搮f(xié)同調(diào)控策略，制備的 n 型 Mg3.15Bi1.46Sb0.5Te0.04?薄膜在 525 K 時獲得了 0.47 的峰值熱電優(yōu)值（zT），其性能相較于 p 型 Mg3(Sb, Bi)2薄膜提升了 114%。與此同時，構(gòu)建了全 Mg 基熱電薄膜器件，該器件在 120 K 的溫差條件下實(shí)現(xiàn)了 73 mV 的輸出電壓和 1185 μW?cm-2?的高功率密度，驗(yàn)證了該薄膜材料體系在微型熱電器件中的應(yīng)用潛力。
相關(guān)成果于2026年2月11日以“Dual-defect engineering enables enhanced thermoelectric performance in n-type Mg3Bi1.5Sb0.5?thin films”為題發(fā)表在《Acta Materialia》。金屬所博士研究生冉宜駿為論文第一作者，邰凱平研究員和于治副研究員為論文的共同通訊作者。該研究成果得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和沈陽材料科學(xué)國家研究中心專項(xiàng)基金的資助。
N型Mg3(Sb,?Bi)2薄膜制備示意圖以及p/n轉(zhuǎn)變原理圖
