最新Science：界面键合增强3D打印材料的热电冷却性能

最新Science：界面键合增强3D打印材料的热电冷却性能

【科学背景】

热电冷却器（TEC）作为固态热管理技术的核心，凭借其精准控温、无运动部件、无制冷剂污染等优势，在微型电子器件、生物芯片、可穿戴设备等领域展现出巨大潜力。然而，其广泛应用长期受限于两大瓶颈：一是热电材料效率不足，二是传统制造工艺复杂且难以规模化。材料效率的核心指标——无量纲优值（ZT）由塞贝克系数（S）、电导率（σ）、热导率（κ）共同决定，而传统工艺（如单晶生长、放电等离子烧结）虽能制备高性能块体材料，却依赖高能耗步骤（如高温合成、机械加工），导致成本高昂且材料浪费严重。此外，现有工艺难以实现复杂几何结构的灵活设计，限制了器件集成与性能优化。

近年来，3D打印技术为热电材料制造提供了新思路。其优势在于直接成型、减少加工步骤、支持定制化结构设计。然而，此前3D打印热电材料的ZT值显著低于块体材料，主要归因于打印材料内部颗粒连接性差、孔隙率高，导致电导率低下。如何通过墨水配方和烧结工艺优化，在保留3D打印灵活性的同时实现颗粒间高效电荷传输，成为突破技术壁垒的关键。

【创新成果】

今日，奥地利科技学院Shengduo Xu、Maria Ibáñez课题组，通过开发新型墨水配方和界面键合策略，成功利用挤出式3D打印技术制备出高性能热电材料。针对p型（Bi,Sb）₂Te₃和n型Ag₂Se材料，研究团队设计了两种差异化墨水体系，两种材料在50%孔隙率下仍表现出优异的电输运性能，其中p型（Bi,Sb）₂Te₃的室温ZT值达1.42，n型Ag₂Se的ZT值为1.3，均接近或超过传统块体材料的最高水平。

通过微观结构分析，研究发现尽管材料内部存在高孔隙率，但界面键合形成的连续导电网络有效维持了高载流子迁移率（Ag₂Se的μ为864 cm²·V⁻¹·s⁻¹），同时孔隙界面和晶界缺陷（如位错、纳米沉淀）显著降低了晶格热导率（Ag₂Se的κlat为0.12 W·m⁻¹·K⁻¹）。器件在7天连续运行和200次循环测试中表现出卓越稳定性，且真空环境下ΔT可进一步提升至64°C。这一成果不仅验证了3D打印热电材料的可行性，更通过墨水配方的普适性设计（如粘结剂选择、烧结动力学调控），为其他半导体材料的增材制造提供了理论框架。相关论文以题为“Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials”的论文发表在Science上。

【数据概况】

图1. 合成工艺及性能© 2025 AAAS

图2. 打印Ag2Se多孔微结构及热电性能研究© 2025 AAAS

图3. 通过形成晶粒间的界面结合，提高了BST-B-ST的热电性能© 2025 AAAS

图4. 3D打印TEC的制冷性能及稳定性© 2025 AAAS

【科学启迪】

本研究通过创新性界面键合策略，突破了3D打印热电材料性能低下的技术瓶颈，实现了高ZT值材料的可控制备与器件集成。其核心贡献在于：首先，揭示了孔隙率与电热输运的平衡机制，通过界面化学键合在多孔结构中构建高效电荷通道，同时利用孔隙和缺陷散射声子以降低热导；其次，开发了针对不同材料体系的墨水配方，如Ag₂Se的自连接烧结和（Bi,Sb）₂Te₃的铋基粘结剂反应，为多元材料打印提供了通用解决方案；最后，通过器件工程优化（如接触电阻控制、结构尺寸匹配），证明了3D打印TEC的实际应用潜力。

与传统工艺相比，该技术省去了铸锭制备、机械加工等高成本步骤，大幅减少材料浪费，且支持复杂几何结构（如微柱阵列）的一体成型，为个性化热管理器件（如柔性可穿戴设备、微型传感器）的规模化生产奠定了基础。未来研究可进一步探索墨水配方的扩展性（如其他硫属化合物体系）、多材料共打印技术，以及面向极端环境（如高温、高湿）的稳定性优化。此外，结合机器学习辅助的墨水设计和高通量打印工艺，有望加速新型热电材料的开发周期，推动绿色制造与可持续发展目标的实现。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426

本文由温华供稿