Исследовательская группа под руководством профессоров Суй Цзехэ и Лю Цзыхана из Института материаловедения и инженерии ХПУ совместно с командой профессора Такао Мори (TakaoMori) из Национального института материаловедения Японии поприглашению опубликовала в международном академическом журнале Nature Reviews Materials обзорную статью под названием «Термоэлектрические материалы и устройства без теллура для сбора низкотемпературной энергии» (Tellurium-freethermoelectricmaterialsanddevicesforlow-temperatureenergyharvesting).
В последние годы термоэлектрические генераторы, способные напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую, демонстрируют широкий потенциал применения в таких областях низкотемпературного энергосбора, как энергоснабжение при исследованиях глубокого космоса и утилизация промышленных отходов тепла. Подобные устройства, как правило, состоят из множества пар термоэлектрических ветвей p- и n-типа, соединённых припоем с меднокерамическими подложками. Для предотвращения диффузии элементов припоя на поверхность термоэлектрических ветвей наносятся межфазные (интерфейсные) материалы. Выходные характеристики устройств зависят от взаимодействия нескольких ключевых факторов, включая высокоэффективные термоэлектрические материалы, высокопрочные и низкоомные интерфейсные слои, согласованные технологии пайки, а также оптимизацию геометрии и размеров модуля. Безтеллуровые термоэлектрические материалы, представленные, в частности, Mg₃(Sb, Bi)₂ (магний–сурьма–висмут), MgAgSb (магний–серебро–сурьма) и SnSe (селенид олова), обладают рядом преимуществ: высокие эксплуатационные характеристики, низкая стоимость и экологическая безопасность. В настоящее время они уже превосходят традиционные материалы на основе теллурида висмута и становятся основным направлением исследований в области низкотемпературной термоэлектрической генерации. Однако в научной литературе по-прежнему недостаточно обзорных работ, рассматривающих данные материалы с позиции интеграции «материал – интерфейс – устройство» в контексте их применения для низкотемпературного энергосбора.
В опубликованной исследователями из ХПУ статье предложена ориентированная на практическое применение устройств концептуальная рамка проектирования, устанавливающая глубокую связь между термоэлектрическими материалами, интерфейсными материалами и интеграцией устройств. На уровне материалов подробно анализируются физические механизмы, обеспечивающие высокие значения термоэлектрического показателя эффективности в системах Mg₃(Sb, Bi)₂, MgAgSbи SnSe. Систематизированы стратегии повышения эффективности, включая инженерию энергетических зон и инженерию дефектов, а также представлены последние достижения в данной области. Подчёркиваются ключевые преимущества безтеллуровых материалов по сравнению с теллуридом висмута, включая более богатую сырьевую базу, высокотемпературную стабильность и улучшенные термоэлектрические свойства. На уровне интерфейсных материалов представлен всесторонний обзор эволюции их разработки – от эмпирического подбора до проектирования, управляемого вычислениями. Особое внимание уделено новейшим достижениям в создании интерфейсных материалов, адаптированных к безтеллуровым системам, обладающих высокой прочностью, стабильностью и низким электрическим сопротивлением. На уровне устройств и систем подробно рассмотрен полный технологический цикл: от сборки модуля и оптимизации процессов пайки до интеграции термоэлектрической генерационной системы. Кроме того, с учётом основных проблем масштабного применения, таких как контроль затрат,обеспечение долговременной надёжности и стандартизация методов тестирования, предложены перспективные направления развития, основанные на согласованной оптимизации материалов, интерфейсов и системных решений.
Термоэлектрические свойства и история развития материалов Mg₃(Sb, Bi)₂, MgAgSbи SnSe
Государственная ключевая лаборатория прецизионной сварки и соединения материалов ХПУуказана как первое аффилированное учреждение статьи. Профессор Лю Цзыхан и докторант Го Чжэньтао из Институтаматериаловедения и инженерии, аспирант Го Чжэньтао, а также постдокторанты Ли Айжань и Ван Лунцюань из Национального института материаловедения Японии являются со-первыми авторами, которые внесли равный вклад в работу. Профессора Лю Цзыхан, Суй Цзехэ и Такао Мори выступают в качестве соавторов-корреспондентов.
Исследование выполнено при поддержке Государственного фонда естественных наук Китая, Национальной ключевой программы исследований и разработок Китаяи других проектов.
Ссылка на статью: https://doi.org/10.1038/s41578-026-00923-5