科研人員在柔性熱電技術研究中獲進展

柔性電子被譽為未來革命性的電子技術，有望廣泛應用于能源、醫療等領域，但其發展受制于可自供電、易攜帶、高可靠的超薄柔性電源的缺失。熱電轉換技術可將人體或環境的熱量轉換為電能，具有體積小、無傳動組件、無噪音、可全天候工作等優點，可為柔性電子提供一種可行的自供電解決方案。目前，柔性熱電技術的研究一般直接使用具有良好柔塑性的有機熱電材料，或者將脆性的無機熱電材料集成于柔性基板；前者的電性能較低，導致輸出電壓和功率遠低于無機材料；后者結構與工藝復雜，難以制備出超薄柔性器件。近年來發現的室溫塑性無機半導體如Ag₂S（Nature Materials，2018）和二維范德華InSe單晶（Science，2020），將金屬/有機材料的力學特性與無機半導體的電學特性完美地集于一身；以此為基礎，通過元素的固溶摻雜等改性研究，研制出一系列n型高性能無機塑性熱電材料（Energy & Environmental Science，2019；Advanced Materials，2021等），室溫和高溫熱電優值分別達到0.44和0.80。這些新材料的研究為柔性熱電技術提供了全新的研究思路與解決方案。然而，p型無機塑性熱電材料的種類稀少、室溫附近熱電優值極低（約0.01），制約了傳統π型（面外型）超薄柔性熱電器件的研制及應用。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員仇鵬飛、史迅、陳立東等，與瑞典烏普薩拉大學教授章貞合作，開發出系列高性能p型無機塑性熱電材料；基于此，科研人員研制出厚度僅為0.3mm的超薄π型柔性熱電器件，其功率密度數量級高于已報道的柔性熱電器件，且還數倍高于現有的剛性熱電器件。相關研究成果以Flexible thermoelectrics based on ductile semiconductors為題，發表在《科學》（Science）上。

研究發現，Ag基化合物一般為n型導電，而Cu基化合物一般為p型導電；高含量的Ag-S鍵易導致塑性，而高含量的Cu-Se/Te鍵易導致脆性。科研團隊系統探究了AgCu(Se,S,Te)的物相組成、電熱輸運性能和力學性能，繪制出該體系的“脆性-塑性”與“n-p型”轉變相圖（圖1）。當AgCu(Se_1-yTe_y)中y 約為 0.5時，發生n-p型轉變；此時引入少量的S，材料力學性能發生“脆-塑”轉變。因此，AgCu(Se_1-y-xS_xTe_y) 中Te固溶量y在0.5-0.7、S固溶量x在0.05-0.08之間時，材料同時具有塑性和p型導電行為。

力學性能測試表明，AgCuSe_0.3-xS_xTe_0.7（x = 0.06和0.08）室溫壓縮應變量>30%，三點彎曲應變量>10%，與Ag₂S及其固溶體相當。得益于其良好的塑性，該類材料可被直接加工成微米級別的薄片，展現出良好的柔性。熱電性能測試顯示，它們具有良好的電輸運性能和極低晶格熱導率，進一步引入陽離子空位改善電輸運性能，熱電優值在室溫提升至0.45，在340K時達0.68（圖2），高于有機熱電材料，與室溫區熔法制備的Bi₂Te₃合金相近。

該工作推進了研制柔性熱電器件所需熱電材料的研究進展。結合已報道的n型無機塑性熱電材料，研究選取p型(AgCu)_0.998Se_0.22S_0.08Te_0.7和n型Ag₂₀S₇Te₃作為柔性器件的熱電臂（厚度低至0.1mm），利用磁控濺射在其表面沉積W/Sn作為金屬連接層，而后集成于聚酰亞胺基柔性電路板，研制出最薄為0.3mm、填充率最高為72%的超薄無機柔性熱電器件（圖3）。得益于材料優良的熱電性能、超薄的厚度及低的界面接觸電阻率，柔性熱電器件的最大歸一化功率密度達30 μWcm^-2K^-2（圖2），比有機熱電器件高約4個數量級，比傳統的Bi₂Te₃基剛性器件高約4倍。該柔性器件展示出良好的服役穩定性，在15毫米彎曲半徑下，經受500次彎曲后其內阻幾乎不變。

該研究為柔性熱電技術提供了全新的解決方案，能將人體或環境熱量快速有效地轉換成電能，具有穩定可靠、長壽命、超薄、可彎曲、全天候工作等優點，有望為柔性電子提供高效的自供電技術。

研究工作得到國家自然科學基金、上海市基礎研究特區項目、上海市科學技術委員會、中科院等的支持。

論文鏈接

圖1.AgCuS-AgCuSe-AgCuTe贗三元固溶體“組分-性能”相圖，實心圓表示塑性組分，空心圓表示脆性成分，長方柱表示熱電優值。

圖2.A、用于可穿戴電子的柔性熱電器件示意圖；B、該工作和其它已報道的柔性熱電器件的歸一化功率密度對比；C、該工作和其它柔性熱電材料熱電優值對比。

圖3.基于無機塑性材料的超薄熱電器件實物圖及器件性能（6對，f=72%）。