武汉纺织大学微电子学院姜庆辉教授联合新加坡南洋理工大学、中国科学院工程热物理研究所等单位，在高效碲化铋基半导体与器件研究方面取得重要进展。相关成果以“Manipulating Atomic Disorder and Mesoscale Architectures for High-Efficiency Thermoelectric Modules”为题，发表在国际知名期刊Advanced Science。姜庆辉为论文共同通讯作者。
热电材料能够实现热能与电能之间的直接转换，在芯片热管理、低品位余热回收、微型电源和近室温能源利用等领域具有重要应用前景。碲化铋基材料是目前近室温制冷/发电应用中最成熟的材料体系之一。然而，如何在提升电输运性能的同时有效降低晶格热导率，长期以来是制约其效率进一步提升的核心难题。针对这一问题，研究团队提出了一种“原子无序-介尺度结构”协同调控策略。该策略以钛酸铅前驱体引发原位固相反应：一方面，Pb 原子进入 Bi₀.₅Sb₁.₅Te₃ 基体晶格并占据 Sb 位点，实现载流子浓度优化和费米能级调控；另一方面，副产物氧化钛在原位形成 PTO@TiO₂ 核壳结构，构建多尺度界面和应变场。由此形成的层级结构有效散射中低频声子，同时尽量减少对载流子迁移的负面影响，从而实现电子输运与声子输运的有效解耦。
图1 多尺度结构调控、双极扩散抑制、声子散射增强及器件效率对比。
研究表明，优化后的 0.5 mol% PTO/BST 复合材料在 333 K 附近获得峰值热电优值 zT = 1.47，在 300–400 K 近室温区间的平均 zT 达到 1.43，表现出优异的宽温区热电性能。进一步地，团队将材料性能提升转化到器件层面，制备了基于 p 型 PTO/BST 与 n 型 Bi₂Te₂.₇Se₀.₃ 的原型器件。通过器件臂的几何结构优化和一体化 SPS 烧结工艺，降低了界面接触电阻，并实现了良好的电极/热电腿界面结合。器件在 180 K 温差下输出功率达到 13.1 mW，能量转换效率约为 7%。
不同于通过外加纳米相或单一元素掺杂来改善制冷/发电性能的传统策略，该研究的创新之处在于利用原位反应过程同时实现了原子尺度掺杂和介尺度核壳结构构筑。这种“由反应驱动的多尺度结构设计”不仅为高性能碲化铋基半导体材料提供了新的设计思路，也为半赫斯勒、方钴矿等其他复杂体系的性能优化提供了可推广的方法。
图2 电子结构计算与电荷密度分析。
图3 热电单偶器件的结构设计、界面表征与输出性能测试。
论文信息： Manipulating Atomic Disorder and Mesoscale Architectures for High-Efficiency Thermoelectric Modules. Advanced Science, 2026, e74899. https://doi.org/10.1002/advs.74899.
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