珀尔帖制冷器（Peltier cooler，PC）是5G芯片光模块温控热管理的核心部件，保障了巨量信息稳定传输。目前，碲化铋（Bi2Te3）合金是唯一可用于商业化生产珀尔帖制冷器的热电材料。然而，Bi2Te3合金晶体具有通过范德华力连接的层状结构，力学性能较差，给微型化器件的制备带来了极大挑战。改善碲化铋合金机械强度、提升热电性能是珀尔帖制冷器在微型化、集成化过程中需要攻克的关键难题。
针对上述问题，清华大学李敬锋教授团队开发了一种新型微结构调控策略，成功制备出高强度、高热电性能的碲化铋合金，并实现了高性能微型珀尔帖制冷器的制备。相关研究成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），清华大学博士后庄华鹭为第一作者，李敬锋教授为通讯作者。
该研究团队通过多种强化机制的综合应用实现了Bi2Te3合金机械性能的显著提升。通过退火-热锻工艺促进多晶块体的致密化和多态位错强化、通过SiC纳米复合实现弥散强化，从而实现了140 MPa的高抗弯强度和224 MPa的高抗压强度。随后，通过调整Te含量的组分调控策略，提升其热电性能，使热电优值（ZT）提升至1.50，并维持了高水准的机械强度，以满足精密加工要求。
图1 不同优化策略下(Bi,Sb)2Te3的（a）抗弯和抗压强度以及（b）ZT值。
研究团队剖析了机械性能和热电性能的提升机制。退火过程中可使Bi2Te3内部本征微孔扩展并使样品膨胀。膨胀后的样品经热锻后扩展的微孔闭合，致密度得到提升，不仅可提升机械强度，还有利于载流子传输。此外，热锻过程中塑性变形引入的高密度位错可阻碍相互之间的运动，提升了机械强度，所产生的位错应力场同时增强了中频声子散射，降低了晶格热导率。复合的纳米SiC弥散于样品内，在界面附近引入应力，增强机械强度。
图2 退火处理后的Bi2Te3合金在（a）热锻处理前和（b）处理后断裂表面的SEM图像。（c）样品内位错阵列与弥散纳米SiC的低分辨率TEM图像（d）以Si元素分布显示的样品内SiC的分布情况。（e）纳米SiC于基体界面附近的高分辨率TEM图像。（f）与纳米SiC颗粒相邻基体晶格的几何相位分析图像。
这种热电性能、机械强度综合大幅提升后的Bi2Te3合金可用划片机进行直接切割加工得到尺寸约为50 × 50 × 120 μm³的微柱阵列，具有极其优异的加工性能。最终，研究团队实现了微型珀尔帖制冷器（横截面积为2 × 2 mm²）的大规模制备，在热端温度为298 K、323 K和348 K时，分别测得其最大制冷温差可达69.6 K、79.3 K和89.3 K，处于国际前沿水准。
图3 （a）使用划片机在样品4表面切割出的微柱阵列。（b）制得微型珀尔帖制冷器的照片。（c）制得微型珀尔帖制冷器的最大制冷温差。
此研究提出的新策略为协同提升热电材料的机械与热电性能，制造高性能微型珀尔帖制冷器提供了切实可行的方案。这一成果在小空间内的固态制冷技术领域具有重要的应用前景，有望为集成光电器件和芯片等的精准温控热管理带来发展机遇，并推动相关产业的进一步发展。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwae329
