突破亚环境温区热电制冷瓶颈：单晶Mg3Bi2基材料的性能跃升与器件应用

本文报道了通过缓冷法制备厘米级单晶Mg3Bi2-xSbx的创新成果，其亚环境温区（<300 K）热电优值（zT）达1.05（300 K）和0.87（250 K），超越商用Bi2(Te,Se)3。双级制冷器件实现106.8 K的创纪录温差，经2000次循环测试展现卓越稳定性，为电子热管理提供新方案。

　　

材料创新与晶体生长
采用缓冷法成功合成厘米级单晶Mg₃Bi_1.497Sb_0.5Te_0.003，X射线衍射证实其具有P3?m1空间群的层状结构。通过精确控制Mg_3.05Bi_1.997-xSb_xTe_0.003的化学计量比，获得高结晶质量样品，扫描电镜显示清晰的(0001)解理面。

热电性能突破
单晶沿ab面呈现优异输运特性：300 K时电导率达1.08×10⁵ S/m，塞贝克系数（S）为-195 μV/K，热导率（κ）低至1.2 W/mK。第一性计算揭示其各向异性因子仅1.2，归因于[MgBi₄]四面体网络的三维电荷传输特性。250-300 K温区平均zT达0.97，较商用n型Bi₂(Te,Se)₃提升40%。

界面工程与器件构建
开发Ag/Mg₂Ni/Mg₃Bi₂多层接触结构，界面电阻低至2.1 μΩ·cm²。通过回流焊工艺组装7对（单级）和24对（双级）热电偶，采用Sn₄₂Bi₅₈焊料实现可靠连接。双级器件含17对底层和7对顶层热电偶，经360K老化14天后界面无元素扩散。

制冷性能验证
单级器件在350 K热端温度下实现85 K温差，超越商用Bi₂Te₃器件4 K。双级器件创下106.8 K的温差记录（350 K热端），最大制冷功率2.7 W（3.5 A驱动电流）。性能系数（COP）在零温差条件下达0.45，2000次电流循环（1-3 A）后性能无衰减。

应用前景展望
该研究突破传统Bi₂Te₃体系局限，通过单晶生长和能带调控策略实现亚环境温区热电性能跃升。器件级验证表明Mg₃Bi₂基材料在芯片制冷、红外探测器等精密温控领域具有重大应用潜力。未来可通过点缺陷工程进一步优化载流子迁移率。