金属所邰凯平团队:具有多尺度孔隙结构的柔性、可裁剪碲化铋/纤维素复合热电薄膜

【引言】

随着可穿戴电子设备向微型化、高密度化和柔性化的快速发展，迫切需求柔性传感器以及自供电功能元件，以满足其向高稳定性、可靠性和人工智能化发展的技术需求。柔性热电材料不仅能够实现利用人体体温和环境温差进行发电，同时具有一定的可变形能力，能够充分贴合复杂曲率变化的人体体表维持温差，从而提升热能转换效率，可应用于新一代低功耗微系统供电技术。柔性热电材料及器件制备技术作为热电材料研究新兴的重要发展方向得到了学术界和工业界的广泛关注。然而，传统的高性能无机热电材料具有本征脆性，无法满足紧密接触曲率复杂变化的热源表面要求。因此，开发新型高性能柔性热电材料和器件制备技术，探索改善无机热电材料本征脆性的机理等课题已成为当前全球性的研究热点。

【成果简介】

近日，来自中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室功能薄膜与界面研究部邰凯平研究员课题组在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了关于高性能柔性热电材料与器件的最新研究成果：“Cellulose Fiber-Based Hierarchical Porous Bismuth Telluride for High-Performance Flexible and Tailorable Thermoelectrics”。该项工作首次采用非平衡磁控溅射技术，以纤维素纸为基体，制备具有微米至纳米多尺度孔隙结构的碲化铋复合热电薄膜材料。研究表明，由于非平衡磁控溅射技术特点，碲化铋薄膜与纤维素界面结合紧密，沉积的名义厚度可达数十微米，能有效降低薄膜器件的内阻，提高热电转换的输出效率；纤维素/Bi₂Te₃独特的网络结构、多尺度孔隙结构和Bi₂Te₃薄膜尺度效应等赋予纤维素/Bi₂Te₃复合材料表现出良好的弯曲柔性；复合热电薄膜中的多尺度孔隙结构能有效散射声子降低热导率值，使其接近于Bi₂Te₃理论最低热导率；Bi₂Te₃薄膜表面存在本征的氧化层，当载流子在相邻纤维素表面Bi₂Te₃薄膜间传输时，界面处的氧化层可散射过滤低能载流子，明显提高Seebeck系数。因此，纤维素/Bi₂Te₃复合材料室温至473K的热电性能ZT值可达0.24~0.38，并有望通过载流子浓度优化而进一步提升。文章作者进而利用高精度微束激光平台，对该复合柔性热电材料进行裁剪和器件集成，演示验证基于该复合材料的柔性热电“发电机”。该项工作为探索高性能新型柔性热电材料提供了新的思路和解决方案，为柔性热电器件的实用化发展开辟了崭新的方向。

【图文导读】

图1 微米——纳米多尺度孔隙结构设计示意图

图2 纤维素/ Bi₂Te₃复合柔性热电材料SEM结构表征

图3 纤维素/ Bi₂Te₃柔性热电性能测试

(a-f) 复合薄膜材料热电性能 (a-d) 及柔性弯曲性能表征 (e-f)。

图4 XPS表征界面氧化层及其能垒过滤效应示意图

(a-d) XPS分析多尺度孔隙碲化铋复合材料(a), (c)以及致密碲化铋薄膜(b), (d)；

(e-f) 三维纳米X射线成像分析复合薄膜材料以及界面能垒过滤低能载流子效应示意图。

图5 复合柔性热电材料原位弯曲电学性能测试

(a) 原始状态下双面复合热电薄膜（15×20 mm²）内阻；

(b-d)、(f-h) 不同弯曲状态下双面沉积的复合热电薄膜内阻变化；

(e) 利用人体体表与环境温差形成的热电压。

图6 柔性热电“发电机”器件制备及废热发电红外成像演示

(a-b) 柔性热电“发电机”器件结构设计示意图；

(c-d) 柔性热电器件及其贴合热源表面换能；

(e) 热电器件回收废热发电的红外成像；

(f) 热电薄膜温度的时间和空间分布图。

【小结】

这篇文章报道了采用非平衡磁控溅射技术，研制出具有多尺度孔隙结构的高性能纤维素/Bi₂Te₃复合柔性热电材料，热电薄膜的有效厚度可达数十微米，能有效降低材料的内阻，提高薄膜型热电器件的输出功率；通过对纤维素纸进行双面异质（P/N型）热电材料的同时沉积，并结合微束激光加工平台制备了基于该复合材料的柔性热电“发电机”器件。该器件结构简单、易于制备、成本低廉且能够充分贴合具有复杂曲率表面的热源，因而能实现较高的废热回收效率，为发展实用化柔性热电器件提出了一种极为可行的策略。

【团队介绍】

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室功能薄膜与界面研究部的邰凯平研究员和姜辛研究员为该文章的通讯作者，博士研究生靳群为第一作者。该课题是在中科院“百人计划”、自然科学基金委面上项目和青年基金等经费的支持下完成。

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

本文由邰凯平研究员课题组供稿，材料牛编辑。

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