摘要：热电技术通过“帕尔贴效应”实现固态控温，无需制冷剂、无振动噪音，是芯片散热、医疗冷链、智能穿戴设备的关键技术。然而，传统TEC材料（如Bi₂Te₃）依赖高温高压制备（区熔、热压），工艺复杂、成本高昂且难以定制复杂结构。
主要作者：Shengduo Xu, Maria Ibáñez*
第一单位：Institute of Science and Technology Austria
发表期刊：Science
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426
1.热电冷却器（TEC）的重要性
热电技术通过“帕尔贴效应”实现固态控温，无需制冷剂、无振动噪音，是芯片散热、医疗冷链、智能穿戴设备的关键技术。然而，传统TEC材料（如Bi₂Te₃）依赖高温高压制备（区熔、热压），工艺复杂、成本高昂且难以定制复杂结构。
2.3D打印的机遇与挑战
增材制造可快速成型多孔/异形结构，但此前打印的热电材料性能（zT值）仅为传统块体材料的30%-50%，核心瓶颈在于：
电学性能差：打印层间界面电阻高，载流子散射严重；热导率高：疏松孔隙未能有效降低晶格热导率（κ_lat）。Fig.1 Synthesis process and performance.
1.墨水设计：从“粘合”到“化学反应”
n型Ag₂Se墨水：纳米颗粒（50-300 nm）与甘油（1:2质量比）通过静电作用自组装，无需粘合剂即可稳定打印。p型(Bi,Sb)₂Te₃墨水：Bi纳米颗粒（10%摩尔）与硫属金属盐（Sb₂Te₄, 15%摩尔）作为“活性粘合剂”，在烧结中熔融并桥接主粉颗粒，形成化学键合界面。2.烧结工艺：超离子相变与原子扩散
Ag₂Se的“自修复”机制：350°C烧结时，Ag₂Se发生超离子相变（133°C），Ag⁺快速迁移填充孔隙，形成致密小角度晶界。Bi纳米颗粒的“焊接”作用：400°C下Bi熔化并与Sb₂Te₄反应生成Bi-Sb-Te相，通过位错网络强化界面结合。3.多孔结构的协同优化 材料孔隙率高达50%，但通过界面化学键合与晶格缺陷设计：
电输运增强：载流子迁移率提升30%，电导率达586 S/cm（n型）和148 S/cm（p型）；热导率抑制：孔隙散射声子，κ_lat降至0.12 W/m·K（n型）和0.21 W/m·K（p型）。Fig.2 Porous microstructures and thermoelectric performance of printed Ag2Se.
1.材料性能指标
zT值突破：n型Ag₂Se（zT=1.3）、p型(Bi,Sb)₂Te₃（zT=1.42），均超越传统烧结材料。稳定性验证：连续运行7天（ΔT=50°C）及200次热循环后无衰减。2.器件级性能
最大冷却温差：空气中ΔT=50°C（热端30°C），真空环境可达64°C；能效比（COP）：3.8（电流0.15 A），冷却功率密度0.87 W/cm²；成本优势：材料利用率提高60%，能耗降低70%。Fig.3 Improved thermoelectric performance of BST-B-ST by forming interfacial bonding between grains.
深度洞察1.科学机制新认知
孔隙的双重作用：传统观点认为孔隙必然损害电性能，本研究证明通过界面键合优化，孔隙可选择性降低热导率而不牺牲电导率。“墨水-烧结”协同设计范式：粘合剂不仅是成型辅助剂，还可通过原位反应参与材料体系重构，为其他半导体材料（如钙钛矿、MOF）的3D打印提供通用策略。2.产业化应用前景
微型化制冷器件：适用于5G芯片、激光雷达、可穿戴医疗设备的精准温控；绿色制造升级：摆脱高能耗工艺，推动热电技术的规模化生产。3.未来挑战
接触电阻优化：当前界面电阻占总损耗的15%，需开发低阻电极材料；复杂结构设计：通过拓扑优化进一步提升多孔TEC的散热效率。Fig.4 Cooling performance and stability of the 3D-printed TEC.
本研究通过“墨水活性化”和“界面原子工程”，实现了3D打印热电材料的性能跃升，不仅为微型制冷器件提供了低成本解决方案，更揭示了多孔材料中电-热性能的解耦调控机制。未来，这一策略有望拓展至光电器件、柔性电子等领域，推动增材制造向功能化、高性能化迈进。
来自：AM vision
长三角G60激光联盟陈长军转载
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