具有多尺度孔隙結構的柔性、可裁剪碲化鉍/纖維
瀏覽次數： 342 發布時間：2018-01-15 08:58:13 發布人：editor
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，迫切需求柔性傳感器以及自供電功能元件，以滿足其向高穩定性、可靠性和人工智能化發展的技術需求。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，能夠充分貼合復雜曲率變化的人體體表維持溫差，從而提升熱能轉換效率，可應用于新一代低功耗微系統供電技術。柔性熱電材料及器件制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征脆性，無法滿足緊密接觸曲率復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制備技術，探索改善無機熱電材料本征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沈陽材料科學國家(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上發表了關于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”。該項工作首次采用非平衡磁控濺射技術，以纖維素紙為基體，制備具有微米至納米多尺度孔隙結構的碲化鉍復合熱電薄膜材料。研究表明，由于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獨特的網絡結構、多尺度孔隙結構和Bi2Te3薄膜尺度效應等賦予纖維素/Bi2Te3復合材料表現出良好的彎曲柔性;復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，使其接近于Bi2Te3理論最低熱導率;Bi2Te3薄膜表面存在本征的氧化層，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系數。因此，纖維素/Bi2Te3復合材料室溫至473K的熱電性能ZT值可達0.24~0.38，并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臺，對該復合柔性熱電材料進行裁剪和器件集成，演示驗證基于該復合材料的柔性熱電“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辟了嶄新的方向。
【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復合柔性熱電材料SEM結構表征
圖3 纖維素/ Bi2Te3柔性熱電性能測試
(a-f) 復合薄膜材料熱電性能 (a-d) 及柔性彎曲性能表征 (e-f)。
圖4 XPS表征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復合材料(a), (c)以及致密碲化鉍薄膜(b), (d);
(e-f) 三維納米X射線成像分析復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 復合柔性熱電材料原位彎曲電學性能測試
(a) 原始狀態下雙面復合熱電薄膜(15×20 mm2)內阻;
(b-d)、(f-h) 不同彎曲狀態下雙面沉積的復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”器件制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】
這篇文章報道了采用非平衡磁控濺射技術，研制出具有多尺度孔隙結構的高性能纖維素/Bi2Te3復合柔性熱電材料，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，并結合微束激光加工平臺制備了基于該復合材料的柔性熱電“發電機”器件。該器件結構簡單、易于制備、成本低廉且能夠充分貼合具有復雜曲率表面的熱源，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沈陽材料科學國家(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).