镍/碲化铋界面电机械性能退化的定量扩散分析及其对热电器件寿命预测的启示

热电材料Bi2 Te3 基器件的界面失效问题长期制约其可靠性发展。本研究通过加速热应力实验，定量解析Ni扩散行为与界面性能退化的关联，建立基于Fick第二定律的扩散系数（D）与失效模型（ρc 、σs ），首次提出热电器件寿命预测方法，为微型化器件可靠性评估提供普适性框架。

　　

在物联网和5G光通信技术迅猛发展的今天，微型热电器件(TEDs)因其独特的能量转换能力成为可穿戴电子和光学模块温控的核心组件。然而，随着器件尺寸缩小至毫米级，镍(Ni)电极与碲化铋(Bi₂
Te₃
)界面的元素扩散问题日益凸显——Kirkendall空洞和金属间化合物的形成会导致接触电阻暴增200倍，机械强度骤降，最终引发器件失效。尽管学界尝试通过多层界面设计和合金化改进工艺，但缺乏定量分析手段使得可靠性预测成为行业瓶颈。

北京理工大学邓 Yuan 团队在《Materials Today Physics》发表的研究中，选取商用级p型(Bi_0.5
Sb_1.5
Te₃
)和n型(Bi₂
Te_2.7
Se_0.3
)热挤压(HE)与粉末冶金(PM)样品，通过表面粗糙度控制在10-20 nm的Ni沉积界面，开展系列创新实验：首先采用加速热老化实验（150-250℃）结合EDS线扫描定量Ni扩散深度(x)，验证x∝t^1/2
的Fick第二定律关系；进而通过四点探针法测量接触电阻率(ρ_c
)，拉伸试验机测试结合强度(σ_s
)，建立其与扩散深度的线性退化模型；最终基于20%电阻变化失效标准，构建寿命预测方程。

扩散行为分析
研究发现n型HE样品在250℃下Ni扩散系数达3.1×10^-14
m²
/s，是p型的1722倍，这与晶界扩散机制相关。通过Arrhenius方程计算获得n型活化能ΔE=0.89 eV，揭示温度对扩散的指数级影响。

界面性能退化
当Ni扩散深度达8 μm时，ρ_c
从初始3.5 μΩ·cm²
升至18.7 μΩ·cm²
，σ_s
下降62%，证实电-机械性能同步退化的耦合效应。

寿命预测模型
基于D=x²
/4t公式，推演出在80℃工作温度下，n型HE器件寿命为4.2年，与实测数据误差<7%，验证模型的工程适用性。

该研究首次将微观扩散动力学与宏观性能退化定量关联，不仅为热电器件可靠性设计提供理论工具，更开创了界面失效预测的新范式。通过调控扩散敏感参数（如采用Ni-P合金降低D至6.5×10^-20
m²
/s），可针对性延长器件寿命，这对光通信模块等精密温控系统的长期稳定运行具有重大意义。