仇鹏飞研究员、史迅研究员、陈立东等在Science发表柔性热电技术重要研究进展

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柔性电子被誉为未来革命性的电子技术，有望广泛应用于能源、医疗、国防等领域，但其发展严重受制于可自供电、易携带、高可靠的超薄柔性电源的缺失。热电转换技术可将人体或环境的热量转换为电能，具有体积小、无传动组件、无噪音、可全天候工作等优点，可为柔性电子提供一种可行的自供电解决方案。目前柔性热电技术的研究一般直接使用具有良好柔塑性的有机热电材料，或者将脆性的无机热电材料集成于柔性基板；前者的电性能较低，导致输出电压和功率远低于无机材料；后者结构与工艺复杂，难以制备出超薄柔性器件。近年来发现的室温塑性无机半导体如Ag2S（Nature Materials，2018）和二维范德华InSe单晶（Science, 2020），将金属/有机材料的力学特性与无机半导体的电学特性完美地集于一身；在其基础上通过元素的固溶掺杂等改性研究，研制出一系列n型高性能无机塑性热电材料（Energy & Environmental Science，2019；Advanced Materials，2021等），室温和高温热电优值分别达到0.44和0.80。这些新材料的研究为柔性热电技术提供了全新的研究思路与解决方案。然而，目前p型无机塑性热电材料的种类非常稀少、室温附近热电优值极低（约0.01），严重制约了传统π型（面外型）超薄柔性热电器件的研制及应用。
　　最近，中国科学院上海硅酸盐研究所仇鹏飞研究员、史迅研究员、陈立东研究员等和瑞典乌普萨拉大学章贞教授合作，开发出系列高性能p型无机塑性热电材料，并基于此研制出厚度仅为0.3mm的超薄π型柔性热电器件，其功率密度不但数量级高于已报道的柔性热电器件，而且还数倍高于现有的刚性热电器件。相关研究成果以“Flexible thermoelectrics based on ductile semiconductors”为题发表在Science上(2022，doi: 10.1126/science.abq0682)。上海硅酸盐所博士生杨青雨和杨世琪为论文共同第一作者。

图1 AgCuS - AgCuSe – AgCuTe赝三元固溶体“组分-性能”相图。实心圆表示塑性组分，空心圆表示脆性成分，长方柱表示热电优值。

图2（A）用于可穿戴电子的柔性热电器件示意图；（B）该工作和其它已报道的柔性热电器件的归一化功率密度对比；（C）该工作和其它柔性热电材料热电优值对比。

图3基于无机塑性材料的超薄热电器件实物图及器件性能（6对，f=72%）。

　　研究发现，Ag基化合物一般为n型导电，而Cu基化合物一般为p型导电；高含量的Ag-S键易导致塑性，而高含量的Cu-Se/Te键易导致脆性。研究团队系统研究了AgCu(Se,S,Te)的物相组成、电热输运性能和力学性能，绘制出该体系的“脆性-塑性”与“n-p型”转变相图（图1）。当AgCu(Se1-yTey)中y 约为 0.5时，发生n-p型转变；此时引入少量的S，材料力学性能发生“脆-塑”转变。因此，AgCu(Se1-y-xSxTey) 中Te固溶量y在0.5-0.7、S固溶量x在0.05-0.08之间时，材料同时具有塑性和p型导电行为。
　　力学性能测试表明AgCuSe0.3-xSxTe0.7（x = 0.06和0.08）室温压缩应变量>30%，三点弯曲应变量>10%，与Ag2S及其固溶体相当。得益于其良好的塑性，该类材料可以被直接加工成微米级别的薄片，展现出良好的柔性。热电性能测试显示它们具有良好的电输运性能和极低晶格热导率，进一步引入阳离子空位改善电输运性能，热电优值在室温提升至0.45，在340K时达0.68（图2），远高于有机热电材料，与室温区熔法制备的Bi2Te3合金相近。
　　该工作填补了研制柔性热电器件所需热电材料的空白。结合已报道的n型无机塑性热电材料，研究团队选取p型(AgCu)0.998Se0.22S0.08Te0.7和n型Ag20S7Te3作为柔性器件的热电臂（厚度低至0.1mm），利用磁控溅射在其表面沉积W/Sn作为金属连接层，然后集成于聚酰亚胺基柔性电路板，成功研制出最薄为0.3mm、填充率最高为72%的超薄无机柔性热电器件（图3）。得益于材料优良的热电性能、超薄的厚度以及低的界面接触电阻率，柔性热电器件的最大归一化功率密度达30 μWcm-2K-2（图2），比有机热电器件高约4个数量级，比传统的Bi2Te3基刚性器件高约4倍。该柔性器件同时展示出良好的服役稳定性，在15毫米弯曲半径下，经受500次弯曲后其内阻几乎不变。
　　该研究为柔性热电技术提供了一种全新的解决方案，能将人体或环境热量快速有效地转换成电能，具有稳定可靠、长寿命、超薄、可弯曲、全天候工作等优点，有望为柔性电子提供一种高效的自供电技术。
　　研究工作得到国家自然科学基金、上海市基础研究特区项目、上海市科委、中科院国际合作等项目的资助和支持。
　　链接：https://doi.org/10.1126/science.abq0682


        文章来源：上海硅酸盐所
      史迅，上海硅酸盐所研究员。主要研究领域为热电能量转换材料及其应用。在Nat. Mater. 等期刊发表论文130余篇，综述论文7篇；在国际热电大会、美国MRS等国际会议作邀请报告29次；申请国外专利4项，获授权2项；国内专利10余项，获授权7项。承担并主持国家杰青、优青、面上项目和青年科学基金等项目。获国家自然科学二等奖（排名第3）、中国科学院青年科学家国际合作奖、上海市自然科学一等奖（排名第3）、国际热电学会Young Investigator Award（首位获奖的中国学者）。
       陈立东，上海硅酸盐研究所研究员。1960年生，1981年毕业于湖南大学，1984年10月赴日本留学，1990年4月获日本东北大学获工学博士学位。先后在日本RIKEN株式会社（Chief Engineer）、日本航空宇宙技术研究所（特别研究员）、美国密西根大学物理系（访问学者）、日本东北大学金属材料研究所（助手，副教授）任职和工作。2001年获中国科学院海外杰出人才引进计划（百人计划）资助进入上海硅酸盐研究所工作，2003年获国家杰出青年基金资助，2004年获得上海市优秀留学回国人才奖和中国科学院百人计划终期评估优秀。现任中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室主任，国际热电学会理事会理事，亚洲热电联盟主席。
        仇鹏飞，2011年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，获工学博士学位。目前主要从事低成本环境友好型热电材料筛选和性能优化，服役稳定性提升、新型热电器件设计开发等研究工作。在Nat. Mater., Nat. Commun., Energy Environ. Sci. (6篇), Adv. Mater. (4篇), Adv. Func. Mater. (3篇), Joule等期刊共发表83篇论文(其中，43篇第一/通讯作者，20篇影响因子>10)；申请中国发明专利16项，已授权10项；作为项目负责人承担国家自然科学基金面上和青年基金各一项，作为研究骨干参与多项科技部、中科院、上海市重要科研项目。入选中科院青年创新促进会（2016）和上海市青年科技启明星计划（A类2019）。