主要观点总结
文章介绍了热电材料的应用前景，特别是Bi-Sb合金在深低温热电材料领域的应用挑战及最新研究进展。中国科学院物理研究所和北京凝聚态物理国家研究中心的团队与华中科技大学合作，通过第一性原理计算和实验研究，揭示了Bi-Sb材料的本征电声耦合特性，并制备了高性能的Bi-Sb粗晶样品，实现了热电优值和制冷温差的提高。该研究为热电材料在固态制冷领域的应用提供了指导，并获得了相关科研项目的资助。
关键观点总结
关键观点1: 热电材料的应用前景
热电材料能够实现热能与电能的直接相互转换，在固态制冷和大规模余热发电等领域具有广阔应用前景。
关键观点2: Bi-Sb合金在深低温热电材料领域的挑战
Bi-Sb合金是深低温热电材料的重要体系，但存在相分离、成分偏析和微观结构等问题，导致热电性能不佳。
关键观点3: 研究团队的最新研究进展
研究团队通过第一性原理计算和实验研究，揭示了Bi-Sb材料的本征电声耦合特性，制备了高性能的Bi-Sb粗晶样品，实现了热电优值和制冷温差的提高。
关键观点4: 研究成果的影响
该研究加深了对BiSb体系电声输运物理机制的认识，对提升材料热电性能、推进热电制冷技术在深低温领域的应用具有指导意义。
正文
电子平均自由程（λ
ele
）高于声子平均自由程（λ
ph
）两个数量级，
发现
当材料晶粒尺寸大于10μm时即可实现本征电声解耦
，为材料的微观结构设计和热电输运性能调控指明了方向。进一步，团队利用
超快速淬火技术结合退火工艺
制备了一系列元素分布高度均匀化的Bi-Sb粗晶样品，这对其形成能隙约为20meV的电子结构具有关键作用，不仅实现了Seebeck值的最大化，同时电子迁移率在100K时高达1.4×10⁵
cm²
/V·s。
而在Bi-Sb粗晶合金中均匀的质量波动对声子输运发生了显著的散射效果，降低了晶格热导率，最终实现了Bi-Sb多晶零磁场热电优值
zT
~0.5@125K,材料压缩强度达到200MPa。
通过构筑原型器件，本工作
首次实现了Bi-Sb基热电器件制冷性能从室温到液氮温区的跨越
，并在75K时达到4K制冷温差，显示出该材料在深低温区固态制冷方面的应用潜力。该结果不仅加深了人们对BiSb体系电声输运物理机制的认识，同时也对进一步提升材料热电性能，推进热电制冷技术在深低温温域关键应用具有指导意义。
相关研究成果以“Bulk Bi-Sb polycrystals underpinned by high electron/phonon mean free path ratio enabling thermoelectric cooling under 77K”为题发表在Nature Communications 16, 3534 (2025)。物理所博士生吴晓炜为该论文的第一作者，赵怀周研究员和刘德欢教授为通讯作者。研究工作得到了物理所怀柔研究部鲁振特聘研究员、李俊副研究员、朱航天副研究员，北京大学杨荣贵教授，华中科技大学钱鑫教授，以及河北大学王淑芳教授等人的支持。该研究获得了科技部重点研发计划、北京市科委和中国科学院等科研项目的资助。
