热电材料与技术可实现热能与电能直接相互转化，在电子元器件精密热管理及工业低品质废热回收等关键领域应用前景广阔。相较于原料昂贵且地壳储量稀缺的传统商业化（Bi₂Te₃）基材料，n型镁铋锑（Mg₃(Sb,Bi)₂）Zintl相材料具备原料丰度高、成本低、本征热导率低等综合优势，被视为发展下一代高性能无碲/低碲热电转换器件的核心候选体系。然而，与n型碲化铋相比，Mg₃(Sb,Bi)₂材料的电输运性能仍显不足，主要受限于材料中镁离子点空位缺陷的存在与分布。这些缺陷一方面拉低了载流子浓度，同时也作为载流子散射中心，大幅削弱电子迁移率与电输运性能。近年来，针对该体系的改性主要聚焦于晶界调控，如提升晶粒尺寸以降低晶界密度，或晶界界面改性以降低晶界势垒。然而，上述策略忽视了对晶粒内部镁空位的有效修复，制约了该体系功率因子与热电优值的进一步突破。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心赵怀周研究员团队发现并揭示了Mg₃(Sb,Bi)₂晶格中镁离子具有全局性超快扩散的动力学特征。与物理所刘淼研究员紧密合作，依托材料基因工程数据库，机器学习辅助模型筛选、第一性原理和BVS计算、分子动力学模拟及实验研究与多尺度表征，提出一种“局域反应 全局扩散”策略，实现镁空位缺陷的原位修复，该策略利用外加过渡金属与基体阴离子原位反应生成高活性镁，再经全局扩散自发填充基体晶格内与晶界处的镁空位，实现了材料载流子迁移率、功率因子及全温区热电优值显著提升（Science Bulletin，2026, 71, 1043–1054）。
图. 基于双置换策略的原位镁空位调控、材料热电性能及器件表现：(a) 固态双置换反应机理示意图，以及300 K下的霍尔迁移率与300–573 K平均功率因子比较；(b) Mg3Sb0.75Bi1.25/MgAgSb发电模块的输出功率密度与转换效率关系曲线及文献对比；(c) Mg3Sb0.75Bi1.25/Bi2Te3制冷器件在不同热端温度下的最大制冷温差及文献比较。
基于该策略，研究团队进一步将反应物拓展至更低成本、环境友好的金属氧化物（Fe₂O₃、TiO₂、ZrO₂），提出固态原位双置换机制(如上图)。微量金属氧化物首先与材料中游离的过量镁发生镁单质反应，还原出金属单质，进而引发二次置换释放活性镁，通过全局扩散全面修补晶格及晶界镁空位。中子衍射精修证实镁空位显著减少，缺陷诱发的不利散射消除，电导率倍增。在器件层面，8对发电模块在315 K温差下取得11.7%的转换效率和1.0 W cm⁻²功率密度；制冷器件在200 – 373 K温区展现出比肩商业碲化铋的高效制冷能力（303 K热端ΔTₘₐₓ达67.8 K），服役逾10,000小时性能无衰减。
近期，该工作以“Earth-abundant Oxides Promoting High-Performance Mg₃(Sb,Bi)₂ Thermoelectrics via a Metathesis Strategy”为题，于2026年9月8日发表于《Advanced Energy Materials》，物理所博士研究生王伊与博士后樊震（已入职北京理工大学）为共同第一作者，赵怀周研究员与樊震博士为共同通讯作者。研究工作得到了英国格拉斯哥大学化学系Duncan H Gregory教授、德国亚琛工大余愿教授、物理所/东莞散裂中子源何伦华研究员等人的支持。
本研究得到了国家重点研发计划（2022YFB3803900）、北京市科技计划（Z231100006623002）、中国科学院特别研究助理资助项目以及怀柔综合极端条件实验装置等平台的支持。
编辑：二律背反
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