武汉纺织大学,最新Nature Communications!开发低温无水工艺,攻克镁基微型制冷器件制备难题

后摩尔时代高集成芯片、光通信模块、微型传感器件热流密度持续飙升，传统风冷、液冷无法实现微米级局部精准控温，微型热电制冷器（μ-TEC） 凭借全固态、无振动、毫秒级温控优势成为高端电子热管理核心方案。当前商用微型热电器件全部基于碲化铋（Bi₂Te₃）体系，但碲在地壳储量极低、具备生物毒性，材料脆性大、微加工易碎裂，严重限制规模化可持续应用。Mg₃(Bi,Sb)₂（n 型）与 MgAgSb（p 型）镁基热电材料室温热电优值 zT 接近 0.95，机械强度是碲化铋数倍，是无碲替代最优候选材料，但该类镁基材料对高温、水汽极度敏感：传统热压、电镀、CVD 界面制备工艺存在高温组分挥发、相变分解、界面元素互扩散、电解液腐蚀等缺陷，难以实现微米尺度热电臂精密组装；同时高温工艺下界面层厚度动辄数百微米，接触电阻居高不下，大幅损耗制冷功率密度，长久以来缺少适配镁基材料的低温、无溶剂微制造路线，限制镁基微型制冷器件落地。针对界面制备与微型化两大核心瓶颈，本文开发室温磁控溅射冷键合工艺，全程低温无水、隔绝高温损伤，构建 Mo 缓冲层复合金属界面，首次实现高性能镁基微型热电制冷器制备，为绿色微型热管理器件提供全新制备范式。

武汉纺织大学陈玲、吴立明教授等人在《Nature Communications》上发表了题为“A low-temperature, water-free fabrication route to Mg-based micro thermoelectric coolers for thermal management”的研究论文。

1.首创镁基热电低温无水冷键合制备路线，规避材料高温失效：

采用室温磁控溅射替代传统高温热压 / 电镀，全程无水分、无高温热处理，完美解决Mg₃(Bi,Sb)₂、MgAgSb 高温挥发、相变、水汽腐蚀难题；设计 Cu/Mo、Ag/Mo 双层缓冲界面，Mo 作为扩散阻挡层抑制金属与镁基材料元素互扩散，同时匹配热膨胀系数，界面结合强度可达 4 MPa 以上。

2.超薄低阻复合界面，大幅降低接触损耗：

n 型Cu/Mo/Mg_3.2Bi_1.4975Te_0.0025界面接触电阻率低至5.9 μΩ⋅cm²，界面总厚度仅 1.5 μm，较传统热压数百微米界面缩小两个数量级；高温老化后界面无裂纹、电阻率几乎无衰减，热稳定性优异。

3.极致微型化高密度镁基 μ-TEC，制冷性能大幅突破现有镁基器件：

热电臂尺寸仅0.48×0.48×0.56 mm，仅为传统镁基器件尺寸 3%；器件整体尺寸2.95×4.35×1.4 mm，填充密度 43.1，封装密度高达 93.5 对 /cm²；最大制冷功率密度4.34 W⋅cm⁻²，是已报道镁基制冷器件 4 倍以上，冷热端最大温差可达 32 K。

4.系统界面力学与热应力仿真，揭示 Mo 缓冲层调控机制：

通过有限元模拟对比有无 Mo 层、不同界面厚度下器件热应力分布，证实 Mo 层可隔离界面热失配应力，热电基体内部平均应力维持在较低水平，器件冷热循环下结构完整性优异，为微型热电界面结构设计提供量化理论依据。

5.完整工程化验证，兼顾材料、界面、器件全链条可控：

完成粉体烧结、溅射镀膜、微切割、封装全流程工艺验证，多批次器件电阻、温差变异系数低于 2%，重复性优异；证实该低温无水工艺具备规模化制造潜力，适配光芯片、微型传感器等精密电子局部制冷场景。

图1：界面工艺对比与器件综合性能

图2：n 型热电界面微观表征

图3：界面电学与热应力仿真

图4：材料与器件制冷性能

本文开发室温磁控溅射低温无水冷键合工艺，构建 Cu/Mo、Ag/Mo 扩散阻挡双层界面，解决镁基热电材料不耐高温、易氧化分解的制备难题；所制备微型热电器件实现极致小型化与超高封装密度，界面接触电阻极低、机械热稳定性优异，最大制冷功率密度刷新镁基微型器件纪录，有限元仿真明确 Mo 缓冲层缓解热失配应力的调控机理，整套制备路线可规模化用于无碲环保型微型热管理器件制造。后续可进一步优化 p 型 MgAgSb 界面接触电阻、降低陶瓷基板厚度，通过工艺迭代将制冷功率密度提升至9.5 W⋅cm⁻²以上；拓展柔性基底、大面积连续溅射制备工艺，开展光模块、可穿戴传感芯片实机散热测试；同时拓展镁基热电发电微型器件，实现废热回收与制冷一体化双功能系统。

A low-temperature, water-free fabrication route to Mg-based micro thermoelectric coolers for thermal management.Nature Communications.

https://doi.org/10.1038/s41467-026-75165-8

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