金屬所邰凱平團隊：具有多尺度孔隙結構的柔性、可裁剪碲化鉍/纖維素複合熱電薄膜

【引言】

隨著可穿戴電子設備向微型化、高密度化和柔性化的快速發展，迫切需求柔性感測器以及自供電功能元件，以滿足其向高穩定性、可靠性和人工智慧化發展的技術需求。柔性熱電材料不僅能夠實現利用人體體溫和環境溫差進行發電，同時具有一定的可變形能力，能夠充分貼合複雜曲率變化的人體體表維持溫差，從而提升熱能轉換效率，可應用於新一代低功耗微系統供電技術。柔性熱電材料及器件製備技術作為熱電材料研究新興的重要發展方向得到了學術界和工業界的廣泛關注。然而，傳統的高性能無機熱電材料具有本徵脆性，無法滿足緊密接觸曲率複雜變化的熱源表面要求。因此，開發新型高性能柔性熱電材料和器件製備技術，探索改善無機熱電材料本徵脆性的機理等課題已成為當前全球性的研究熱點。

【成果簡介】

近日，來自中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室功能薄膜與界面研究部邰凱平研究員課題組在ACS Applied Materials & Interfaces上發表了關於高性能柔性熱電材料與器件的最新研究成果：「Cellulose Fiber-Based Hierarchical Porous Bismuth Telluride for High-Performance Flexible and Tailorable Thermoelectrics」。該項工作首次採用非平衡磁控濺射技術，以纖維素紙為基體，製備具有微米至納米多尺度孔隙結構的碲化鉍複合熱電薄膜材料。研究表明，由於非平衡磁控濺射技術特點，碲化鉍薄膜與纖維素界面結合緊密，沉積的名義厚度可達數十微米，能有效降低薄膜器件的內阻，提高熱電轉換的輸出效率；纖維素/Bi2Te3獨特的網路結構、多尺度孔隙結構和Bi2Te3薄膜尺度效應等賦予纖維素/Bi2Te3複合材料表現出良好的彎曲柔性；複合熱電薄膜中的多尺度孔隙結構能有效散射聲子降低熱導率值，使其接近於Bi2Te3理論最低熱導率；Bi2Te3薄膜表面存在本徵的氧化層，當載流子在相鄰纖維素表面Bi2Te3薄膜間傳輸時，界面處的氧化層可散射過濾低能載流子，明顯提高Seebeck係數。因此，纖維素/Bi2Te3複合材料室溫至473K的熱電性能ZT值可達0.24~0.38，並有望通過載流子濃度優化而進一步提升。文章作者進而利用高精度微束激光平台，對該複合柔性熱電材料進行裁剪和器件集成，演示驗證基於該複合材料的柔性熱電「發電機」。該項工作為探索高性能新型柔性熱電材料提供了新的思路和解決方案，為柔性熱電器件的實用化發展開闢了嶄新的方向。

【圖文導讀】

圖1 微米——納米多尺度孔隙結構設計示意圖

圖2 纖維素/ Bi2Te3複合柔性熱電材料SEM結構表徵

圖3 纖維素/ Bi2Te3柔性熱電性能測試

(a-f) 複合薄膜材料熱電性能 (a-d) 及柔性彎曲性能表徵 (e-f)。

圖4 XPS表徵界面氧化層及其能壘過濾效應示意圖

(a-d) XPS分析多尺度孔隙碲化鉍複合材料(a), (c)以及緻密碲化鉍薄膜(b), (d)；

(e-f) 三維納米X射線成像分析複合薄膜材料以及界面能壘過濾低能載流子效應示意圖。

圖5 複合柔性熱電材料原位彎曲電學性能測試

(a) 原始狀態下雙面複合熱電薄膜（15×20 mm2）內阻；

(b-d)、(f-h) 不同彎曲狀態下雙面沉積的複合熱電薄膜內阻變化；

(e) 利用人體體表與環境溫差形成的熱電壓。

圖6 柔性熱電「發電機」器件製備及廢熱發電紅外成像演示

(a-b) 柔性熱電「發電機」器件結構設計示意圖；

(c-d) 柔性熱電器件及其貼合熱源表面換能；

(e) 熱電器件回收廢熱發電的紅外成像；

(f) 熱電薄膜溫度的時間和空間分布圖。

【小結】

這篇文章報道了採用非平衡磁控濺射技術，研製出具有多尺度孔隙結構的高性能纖維素/Bi2Te3複合柔性熱電材料，熱電薄膜的有效厚度可達數十微米，能有效降低材料的內阻，提高薄膜型熱電器件的輸出功率；通過對纖維素紙進行雙面異質（P/N型）熱電材料的同時沉積，並結合微束激光加工平台製備了基於該複合材料的柔性熱電「發電機」器件。該器件結構簡單、易於製備、成本低廉且能夠充分貼合具有複雜曲率表面的熱源，因而能實現較高的廢熱回收效率，為發展實用化柔性熱電器件提出了一種極為可行的策略。

【團隊介紹】

中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室功能薄膜與界面研究部的邰凱平研究員和姜辛研究員為該文章的通訊作者，博士研究生靳群為第一作者。該課題是在中科院「百人計劃」、自然科學基金委面上項目和青年基金等經費的支持下完成。

文獻鏈接：Cellulose Fiber-Based Hierarchical Porous Bismuth Telluride for High-Performance Flexible and Tailorable Thermoelectrics (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, doi: 10.1021/acsami.7b16356).

本文由邰凱平研究員課題組供稿，材料牛編輯。

技術服務

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！