近日，综合科学类权威学术期刊《纳米能源》（Nano Energy）在线发表了太阳成集团tyc234cc物质科学与信息技术研究院葛炳辉教授团队的最新研究成果“Bi2Te3基热电器件电极界面Kirkendall空洞的多阶段生长机制的原位TEM研究”（Revealing multi-stage growth mechanism of Kirkendall voids at electrode interfaces of Bi2Te3-based thermoelectric devices with in-situ TEM technique）。
图1 热电器件实物图与微观结构图
热电器件的稳定性是其得以实际应用的前提，然而在实际应用过程中，部分热电材料与电极之间容易开裂而大大缩短了热电器件的寿命（图1a）。其中Kirkendall孔洞的形成是导致热电材料开裂的一个重要因素，主要原因是热电材料与电极的界面处不均匀的元素扩散。探究Kirkendall孔洞的形成机制，理解裂纹的形成规律，是抑制的裂纹的形成的前提，对于提高热电器件的实际应用有重要意义。
图2 Ni/Bi2Te3界面结构演变
在最新研究中，该团队通过高分辨率的球差矫正透射电镜结合原位热电样品杆，系统研究了Ni/Bi2Te3界面上一系列的结构演变（图2），揭示了Kirkendall孔洞的形成机理，及在形成过程中的多阶段生长机制（图3）。Kirkendall孔洞的形成和生长可以被看作是局部应力的平衡，包括三个方面的贡献：(1)由于Ni和Te/Bi之间相互扩散不均匀而产生的空位凝聚；(2) Ni和Bi2Te3之间界面反应造成体积收缩；(3) Ni和Bi2Te3之间的塑性失配。该工作从微观角度说明了Kirkendall效应对热电器件的危害，对于需协同考虑低界面电阻率、高结合强度和高热稳定性这三重要求的热电器件界面材料(TEiM)的设计提供了一些新的见解和思路。
图3 Ni/Bi2Te3界面上Kirkendall孔洞的演变过程和界面反应机理图
太阳成集团tyc234cc为第一通讯单位，太阳成集团tyc234cc博士生林杨剑和南方科技大学材料科学与工程系博士生吴新志为论文共同第一作者，葛炳辉教授、程峰副教授及南方科技大学刘玮书教授为共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金(No.11874394)、安徽省自然科学基金(No.2008085QA41)、安徽省高校协同创新计划(No. GXXT-2020-003)、新磁性感知材料与器件2020年领军人才培养等项目资助。