具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的柔性、可裁剪碲化鉍/纖維
瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時間：2018-01-15 08:58:13 發(fā)布人：editor
隨著可穿戴電子設(shè)備向微型化、高密度化和柔性化的快速發(fā)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(wěn)定性、可靠性和人工智能化發(fā)展的技術(shù)需求。柔性熱電材料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)利用人體體溫和環(huán)境溫差進行發(fā)電，同時具有一定的可變形能力，能夠充分貼合復(fù)雜曲率變化的人體體表維持溫差，從而提升熱能轉(zhuǎn)換效率，可應(yīng)用于新一代低功耗微系統(tǒng)供電技術(shù)。柔性熱電材料及器件制備技術(shù)作為熱電材料研究新興的重要發(fā)展方向得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)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(fù)雜變化的熱源表面要求。因此，開發(fā)新型高性能柔性熱電材料和器件制備技術(shù)，探索改善無機熱電材料本征脆性的機理等課題已成為當(dāng)前全球性的研究熱點。
【成果簡介】
近日，來自中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)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(fā)表了關(guān)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(shù)，以纖維素紙為基體，制備具有微米至納米多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的碲化鉍復(fù)合熱電薄膜材料。研究表明，由于非平衡磁控濺射技術(shù)特點，碲化鉍薄膜與纖維素界面結(jié)合緊密，沉積的名義厚度可達數(shù)十微米，能有效降低薄膜器件的內(nèi)阻，提高熱電轉(zhuǎn)換的輸出效率;纖維素/Bi2Te3獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多尺度孔隙結(jié)構(gòu)和Bi2Te3薄膜尺度效應(yīng)等賦予纖維素/Bi2Te3復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的彎曲柔性;復(fù)合熱電薄膜中的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)能有效散射聲子降低熱導(dǎo)率值，使其接近于Bi2Te3理論最低熱導(dǎo)率;Bi2Te3薄膜表面存在本征的氧化層，當(dāng)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(shù)。因此，纖維素/Bi2Te3復(fù)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(yōu)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(fù)合柔性熱電材料進行裁剪和器件集成，演示驗證基于該復(fù)合材料的柔性熱電“發(fā)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(fā)展開辟了嶄新的方向。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 微米——納米多尺度孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖
圖2 纖維素/ Bi2Te3復(fù)合柔性熱電材料SEM結(jié)構(gòu)表征
圖3 纖維素/ Bi2Te3柔性熱電性能測試
(a-f) 復(fù)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(yīng)示意圖
(a-d) XPS分析多尺度孔隙碲化鉍復(fù)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(fù)合薄膜材料以及界面能壘過濾低能載流子效應(yīng)示意圖。
圖5 復(fù)合柔性熱電材料原位彎曲電學(xué)性能測試
(a) 原始狀態(tài)下雙面復(fù)合熱電薄膜(15×20 mm2)內(nèi)阻;
(b-d)、(f-h) 不同彎曲狀態(tài)下雙面沉積的復(fù)合熱電薄膜內(nèi)阻變化;
(e) 利用人體體表與環(huán)境溫差形成的熱電壓。
圖6 柔性熱電“發(fā)電機”器件制備及廢熱發(fā)電紅外成像演示
(a-b) 柔性熱電“發(fā)電機”器件結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)電的紅外成像;
(f) 熱電薄膜溫度的時間和空間分布圖。
【小結(jié)】
這篇文章報道了采用非平衡磁控濺射技術(shù)，研制出具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的高性能纖維素/Bi2Te3復(fù)合柔性熱電材料，熱電薄膜的有效厚度可達數(shù)十微米，能有效降低材料的內(nèi)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(zhì)(P/N型)熱電材料的同時沉積，并結(jié)合微束激光加工平臺制備了基于該復(fù)合材料的柔性熱電“發(fā)電機”器件。該器件結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、成本低廉且能夠充分貼合具有復(fù)雜曲率表面的熱源，因而能實現(xiàn)較高的廢熱回收效率，為發(fā)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(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)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(xué)基金委面上項目和青年基金等經(jīng)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).