北航新闻网6月5日电（航宣）2026年6月5日，Science杂志报道了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的最新进展：《Ultralow chromium doping enables all-PbSe thermoelectric cooling》，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【Science 392 (2026) 1056-1060】。材料科学与工程学院2023级博士刘世博为第一作者，国际前沿交叉科学研究院副教授秦永新、材料科学与工程学院教授赵立东为通讯作者，材料科学与工程学院为第一单位。
热电制冷技术基于“珀尔帖效应（Peltier effect）”，能够在通电条件下直接实现热量转移和温度调控，具有无机械运动、无噪声、响应速度快、尺寸可微型化以及寿命长等突出优势【图1，Science 378 (2022) 832-833】。在航空航天领域有重要应用，可对精密电子元件进行精准温度控制，防止过热导致性能下降或故障，关键部件包括：芯片、探测器以及传感器等。相比传统压缩机制冷方式，热电制冷更加高效，并更适用于微型化与高精度温控场景。然而，目前商业热电制冷器件主要依赖含碲（Te）的碲化铋（Bi2Te3）材料体系，不仅成本高、资源稀缺（Te地壳含量 ~ 0.001 ppm，近似于白金），且存在机械脆性大、界面稳定性不足等问题，严重制约了大规模推广应用。
图1. Peltier电子制冷原理图
为了寻找可靠的无Te制冷材料，硒化铅（PbSe）因其本征立方相结构带来的优异力学性能，以及显著的元素储量优势（Se地壳含量 ~ 0.05 ppm，约为Te的50倍），成为了理想的候选体系。2024年，研究团队在Science上率先报道了室温下高性能的n型PbSe制冷材料，初步展现了PbSe在制冷领域的巨大潜力【Science 383 (2024) 1204-1209】。然而，由于缺乏相匹配的高性能p型PbSe材料，构建完全基于PbSe的“同质”热电制冷器件是热电制冷领域的巨大挑战。
针对这一难题，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2A），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2B），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2C），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2. (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：相较于商用Bi2Te3器件【Natl. Sci. Rev. 12, nwae448 (2024)】和PbSe搭配商用Bi2Te3的异质器件【J. Am. Chem. Soc. 147, 15827–15837 (2025)】，具有更大的制冷量密度和更低的功耗
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。
本工作的共同第一作者还有田宇（器件设计）和文熠（显微结构表征）。本工作得到了国家自然科学基金青年A类延续项目（52525101）、国家自然科学基金（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。
附：作者简介
刘世博，北京航空航天大学材料科学与工程学院2017级本科、2022级硕士、2023级博士
主要从事高效铅基硫族热电制冷材料的制备与制冷性能研究。作为第一作者已在Science、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.和Adv. Funct. Mater.等期刊发表多个创新成果。目前主持国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生），入选首届中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划。曾荣获国家奖学金（两次）、北京市三好学生等荣誉奖励。
秦永新，北京航空航天大学国际前沿交叉科学研究院副教授、材料科学与工程学院2018级博士、2021-2024年北航卓百博士后
主要从事Ⅳ-Ⅵ族热电制冷材料及器件优化设计。作为第一/通讯作者在Science（2篇）、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.等学术期刊上发表多个重要研究成果。主持国自然青年科学基金（C类）和中国博士后特别资助等项目，参与国自然区域联合、科技部重点研发及青年科学家等项目。
本研究链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg8963
（素材来源：材料科学与工程学院）
（审核：李建伟）
编辑：贾爱平
