最新Science：界面鍵合增強3D打印材料的熱電冷卻性能

最新Science：界面鍵合增強3D打印材料的熱電冷卻性能

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【科學背景】

熱電冷卻器（TEC）作為固態熱管理技術的核心，憑借其精準控溫、無運動部件、無制冷劑污染等優勢，在微型電子器件、生物芯片、可穿戴設備等領域展現出巨大潛力。然而，其廣泛應用長期受限于兩大瓶頸：一是熱電材料效率不足，二是傳統制造工藝復雜且難以規模化。材料效率的核心指標——無量綱優值（ZT）由塞貝克系數（S）、電導率（σ）、熱導率（κ）共同決定，而傳統工藝（如單晶生長、放電等離子燒結）雖能制備高性能塊體材料，卻依賴高能耗步驟（如高溫合成、機械加工），導致成本高昂且材料浪費嚴重。此外，現有工藝難以實現復雜幾何結構的靈活設計，限制了器件集成與性能優化。

近年來，3D打印技術為熱電材料制造提供了新思路。其優勢在于直接成型、減少加工步驟、支持定制化結構設計。然而，此前3D打印熱電材料的ZT值顯著低于塊體材料，主要歸因于打印材料內部顆粒連接性差、孔隙率高，導致電導率低下。如何通過墨水配方和燒結工藝優化，在保留3D打印靈活性的同時實現顆粒間高效電荷傳輸，成為突破技術壁壘的關鍵。

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【創新成果】

今日，奧地利科技學院Shengduo?Xu、Maria?Ibá?ez課題組，通過開發新型墨水配方和界面鍵合策略，成功利用擠出式3D打印技術制備出高性能熱電材料。針對p型（Bi,Sb）?Te?和n型Ag?Se材料，研究團隊設計了兩種差異化墨水體系，兩種材料在50%孔隙率下仍表現出優異的電輸運性能，其中p型（Bi,Sb）?Te?的室溫ZT值達1.42，n型Ag?Se的ZT值為1.3，均接近或超過傳統塊體材料的最高水平。

通過微觀結構分析，研究發現盡管材料內部存在高孔隙率，但界面鍵合形成的連續導電網絡有效維持了高載流子遷移率（Ag?Se的μ為864 cm2·V?1·s?1），同時孔隙界面和晶界缺陷（如位錯、納米沉淀）顯著降低了晶格熱導率（Ag?Se的κlat為0.12 W·m?1·K?1）。器件在7天連續運行和200次循環測試中表現出卓越穩定性，且真空環境下ΔT可進一步提升至64°C。這一成果不僅驗證了3D打印熱電材料的可行性，更通過墨水配方的普適性設計（如粘結劑選擇、燒結動力學調控），為其他半導體材料的增材制造提供了理論框架。相關論文以題為“Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials”的論文發表在Science上。

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【數據概況】

圖1. 合成工藝及性能? 2025?AAAS

圖2. 打印Ag2Se多孔微結構及熱電性能研究? 2025?AAAS

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圖3. 通過形成晶粒間的界面結合，提高了BST-B-ST的熱電性能? 2025?AAAS

圖4. 3D打印TEC的制冷性能及穩定性? 2025?AAAS

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【科學啟迪】

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本研究通過創新性界面鍵合策略，突破了3D打印熱電材料性能低下的技術瓶頸，實現了高ZT值材料的可控制備與器件集成。其核心貢獻在于：首先，揭示了孔隙率與電熱輸運的平衡機制，通過界面化學鍵合在多孔結構中構建高效電荷通道，同時利用孔隙和缺陷散射聲子以降低熱導；其次，開發了針對不同材料體系的墨水配方，如Ag?Se的自連接燒結和（Bi,Sb）?Te?的鉍基粘結劑反應，為多元材料打印提供了通用解決方案；最后，通過器件工程優化（如接觸電阻控制、結構尺寸匹配），證明了3D打印TEC的實際應用潛力。

與傳統工藝相比，該技術省去了鑄錠制備、機械加工等高成本步驟，大幅減少材料浪費，且支持復雜幾何結構（如微柱陣列）的一體成型，為個性化熱管理器件（如柔性可穿戴設備、微型傳感器）的規模化生產奠定了基礎。未來研究可進一步探索墨水配方的擴展性（如其他硫屬化合物體系）、多材料共打印技術，以及面向極端環境（如高溫、高濕）的穩定性優化。此外，結合機器學習輔助的墨水設計和高通量打印工藝，有望加速新型熱電材料的開發周期，推動綠色制造與可持續發展目標的實現。

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文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426

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本文由溫華供稿