随着微电子器件不断缩小，每平方毫米内集成的功率越来越大，热管理已成为这十年中最重要的工程挑战之一。现代CPU、5G射频放大器和激光二极管的热点温度可超过40 W cm⁻²，足以降低性能、缩短寿命，并最终限制硬件的处理能力。
标准解决方案是热电冷却器（TEC）：一种固态器件，当电流通过时，将热量从热点泵出。但性能最佳的TEC依赖于碲化铋（Bi₂Te₃），而碲是地壳中最稀有的元素之一，比铂还稀少，全球年产量仅为数百吨。
现在，北京师范大学、松山湖材料实验室和武汉纺织大学的研究团队开发出了一种有前景的替代方案：基于镁的微型热电冷却器（μ-TEC），该器件最大限度地减少了碲的使用，并可采用与工业兼容的工艺制造。
制造挑战
镁基热电材料长期以来一直具有吸引力，因为镁资源丰富、无毒，且n型Mg₃(Bi,Sb)₂和p型MgAgSb化合物具有良好的热电性能。但存在一个根本性的制造问题：镁化合物对湿气和氧气高度敏感。涉及水或高温烧结的标准制造工艺会导致材料降解、挥发或成分漂移。
研究团队采用低温、无水的制造工艺解决了这一问题，使用磁控溅射作为冷键合技术。他们未采用高温（Bi₂Te₃典型工艺为400–600 °C）烧结热电臂，而是在受控环境中通过溅射将镁基材料直接沉积到基底上，避免了水暴露，并将加工温度保持在足够低的水平，以保持材料的热电性能。
这一选择并非偶然：p型MgAgSb在大约573 K（300 °C）时会发生相变，转变为热电性能严重下降的结构。将整个工艺保持在此阈值以下，意味着材料的性能在制造过程中不会受到损害。
性能数据
所得的μ-TEC尺寸仅为2.95 × 4.35 × 1.4 mm³，包含12对热电偶，达到了以下经过验证的指标：
- 功率密度：4.34 W cm⁻²，足以满足许多热点冷却应用
- 封装密度：93.5对 cm⁻²，使器件能够安装在狭小空间内
- 热电臂尺寸：约为先前报道的镁基热电器件体积的3%，实现了显著的微型化
事实证明，磁控溅射方法能够制造出比以往任何镁基器件都小得多的热电臂，缩小了与成熟Bi₂Te₃技术的微型化差距。
碲的问题
碲的极度稀缺性（地壳中含量为0.001 ppb）不仅是成本问题，更是可扩展性的制约因素。在消费电子、数据中心或电动汽车中广泛部署热电冷却，将需要当前供应链无法支持的碲供应量。铋和银（在镁基化合物中仍然存在）的成本也不容忽视，但两者的丰度都比碲高出几个数量级。
镁基方法并不能完全消除稀有元素，它在n型臂中仍使用铋，在p型臂中使用银，但它消除了碲，而碲是迄今为止最关键的限制瓶颈。
注意事项
《自然·通讯》论文描述的是一份未经编辑的早期访问手稿，意味着最终的文字编辑尚未完成。一些细节，包括”先前尺寸的3%”这一说法的确切比较基准，在摘要中并未说明。
此外，虽然4.34 W cm⁻²对许多应用来说具有竞争力，但最先进的Bi₂Te₃厚膜μ-TEC已展示出高达56.5 W cm⁻²的性能。镁基器件尚未达到Bi₂Te₃性能的顶端，但它们提供了Bi₂Te₃无法比拟的可持续性优势。
镁基热电材料在潮湿环境中的运行稳定性，这类材料的已知弱点，也有待在整个器件寿命周期内进行验证。
未来展望
该器件已在实验室规模下以12对热电偶进行了验证。要扩展到更高对数以满足实际应用，需要解决更大阵列带来的接触和均匀性挑战。不过，磁控溅射是一种成熟的、高吞吐量的工业工艺，已在半导体制造中广泛应用，因此制造路径原则上已经明确。
关键问题在于，持续优化能否在保持可持续性和丰度优势的同时，将功率密度推向接近Bi₂Te₃的基准水平。鉴于镁基热电材料的发展速度，这个问题的答案可能很快就会揭晓。
资助：国家重点研发计划（2022YFB3803902）。
婷 翻译
来源
Yang, J., Zhu, R., Li, M., Mei, Z., Chen, L., and Wu, L.-M. “A low-temperature, water-free fabrication route to Mg-based micro thermoelectric coolers for thermal management.” Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75165-8