中国科学院上海硅酸盐研究所实现无机半导体塑性加工并制备高性能热电器件

中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室陈俊锋研究员团队与上海交通大学材料科学与工程学院郭益平教授团队合作，在无机半导体塑性加工领域取得重要进展。相关成果以“Plastic processing of inorganic semiconductors”为题发表于Nature Materials。

无机半导体材料（如Ag₂Se、Cu₂Se等）具有优异的热电性能，但其固有的脆性严重限制了加工制造和应用。传统加工方法（如烧结、切割、研磨）效率低、成本高，且难以制备复杂形状器件。该研究团队创新性地提出了“塑性温加工”方法，通过调控温度实现了无机半导体材料的塑性变形，并制备出高性能热电器件。

研究人员发现，无机半导体材料在特定温度范围内（如Ag₂Se在~120 °C，Cu₂Se在~150 °C）表现出显著的塑性，可通过辊压、挤压等工艺进行成型。塑性加工后的材料保持了优异的电学性能（电导率σ和泽贝克系数S），且微观结构均匀致密（图1）。通过建立温度相关的塑性物理模型，团队揭示了无机半导体塑性变形的微观机制，并预测了不同材料的韧脆转变温度（图2, 3）。

基于塑性加工技术，团队制备了两种高性能热电器件：Ag₂Se基薄膜器件和Cu₂Se基块体器件。薄膜器件由20对p-n型热电臂组成，填充率~80%（图4）；块体器件由Bi₂Te₃/Bi_1.5Sb_0.49Te_0.01器件组成，填充率54.5%（图4）。得益于热电薄片的高功率因子以及热电臂-电极间的高强低阻界面，两种器件的最大归一化功率密度达到43-54 µW cm^-2 K^-2，约为先前报道Ag₂S基薄膜热电器件的2倍。

该工作建立了温度相关的塑性物理模型，在半导体中实现了类似金属的塑性加工工艺，为丰富无机半导体加工制造技术、拓展应用场景提供了重要支撑。工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

图1. 无机半导体材料的塑性“温加工”。(a, b) 塑性温加工方法示意图及实物图，(c, d) 辊压后材料的室温迁移率和电导率 (σ) 与泽贝克系数 (S)。

图2. Ag2₂Se和Cu₂Se塑性温压缩及辊压后的微观组织结构。

图3. 无机半导体的变温塑性物理模型及韧脆转变温度的理论预测。

图4. 两种高性能热电器件的制备流程与性能。