北航材料科学与工程学院赵立东教授课题组在热电半导体制冷材料及器件研究上取得进展，相关成果以"Ultralow chromium doping enables all-PbSe thermoelectric cooling"为题，在Science期刊发表。该工作提出了一种痕量元素栅格设计的概念，通过梯度地引入痕量铬（Cr）元素，在同一材料体系中成功研制了性能匹配的n型和p型热电材料，实现了完全基于硒化铅（PbSe）材料的热电制冷器件。制备的热电制冷器件在室温下实现了 ~ 6 W cm-2的最大制冷功率密度和 ~ 21的制冷系数，并且在热端温度363 K下实现了 ~ 53 K的最大制冷温差。

　　研究团队在本次工作中创新性地提出了“痕量元素栅格设计”的策略。通过在PbSe基体中梯度引入极低含量的Cr元素，在同一种材料（PbSe）体系中，成功且连续地制备出性能优异的n型与p型热电材料。更重要的是，这种设计使得两种晶体的载流子传输得到精准调控，实现了n型和p型材料成分和Seebeck系数的高度对称适配（图1A），为后续器件的构筑和高效运行提供了充足的材料基础。

　　在上述材料突破的基础上，团队进一步开展了器件的精细设计与优化。采用全PbSe“同质”材料构建制冷器件，从根本上解决了异质器件中热膨胀系数不匹配的先天缺陷，大幅提升了器件在实际服役过程中的尺寸稳定性。团队对材料界面进行了深度工程化处理，采用磁控溅射等工艺制备了高效的Ni基合金阻挡层，大幅降低了接触电阻（图1B），从而有效抑制了器件运行时的额外焦耳热损耗。

　　得益于材料设计与器件工程的双重优化，团队最终成功构建了超薄、高性能的全PbSe基热电制冷器件。测试表明，全PbSe基热电制冷器件在室温下实现了 ~ 6 W cm−2的高制冷功率密度以及约21的最大制冷系数（COP）（图1C），在热端温度363 K下实现了 ~ 53 K的最大制冷温差。此外，由于PbSe本征为立方晶体结构，其断裂韧性、抗压强度均远优于商用Bi2Te3材料，实现了兼具超高制冷性能与卓越机械可靠性的全PbSe器件。

图1. (A) 痕量元素栅格设计策略示意图：通过梯度引入痕量Cr，连续实现p型和n型高性能PbSe，成分匹配且Seebeck系数匹配； (B) 全PbSe基热电制冷器件示意图：采用Ni基合金作为接触层，优化接触材料，降低器件接触电阻； (C) 全PbSe基热电制冷器件性能对比

　　该成果展示了PbSe作为无Te热电制冷材料的巨大潜力。展望未来，这类超薄、低功耗制冷器件可广泛应用于对空间和功率要求苛刻的航空航天领域。

　　本工作得到了国家星空彩票官方苹果版青年A类延续项目（52525101）、国家星空彩票官方苹果版（524B2004, 52401258, U25A20384, 52450001, 52403348, 12404037, 525B2010, 22409014）、科学探索奖等资助，并得到了中国载人航天工程空间应用系统项目（CMSS-2024-4-A-001）的支持。参与此项工作的还有：太原科技大学宿力中教授课题组，北京高压科学中心高翔研究员、陈永金研究员课题组。

　　论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg8963