 01 科学背景 随着可穿戴电子设备数量的不断增长，可持续充电和冷却技术引起了越来越多的关注。可穿戴柔性热电装置(F-TED)尤其具有作为可穿戴电子设备的可持续能源或制冷的潜力。F-TED可以舒适地佩戴在皮肤上，并利用人体与周围环境之间的温差自动产生电能。为了提高F-TED的实用性，所使用的热电材料必须在室温附近表现出高功率因数(S2σ)或高品质因数(ZT)，以及高灵活性、低毒性和稳定性。 在所有近室温热电材料中，碲化铋（Bi2Te3）由于其在室温下优异的σ和S，因此在柔韧性和丝网印刷方面最具潜力。在Ag掺杂、高度（00l）取向的Bi2Te3薄膜中观察到室温下ZT为1.2。然而，该材料的制备工艺复杂、耗能，限制了其大规模应用的潜力。丝网印刷是一种相对廉价且可扩展的技术，适用于实验室规模的研究和工业生产，能耗低、材料要求低。然而，丝网印刷的Bi2Te3薄膜通常致密化较差，导致σ值低，从而影响整体性能。Bi2Te3的平面内ZT高于平面外ZT，这就是Bi2Te3基薄膜旨在实现高(00l)取向的原因。除了精心控制粉末尺寸以实现薄膜中的高(00l)取向之外，还需要优化粉末的成分以确保高的初始热电性能，而这在以前的研究中是缺乏的。然而，Bi2Te3粉末的粒径过大，薄膜容易开裂，影响薄膜的柔韧性和稳定性，成为制备高性能Bi2Te3薄膜的瓶颈。 02 创新成果 澳大利亚昆士兰科技大学陈志刚教授、史晓磊教授等研究人员开发了一种基于纳米粘合剂的技术，用于丝网印刷高柔性和高性能的Bi2Te3基无机热电薄膜。该技术将溶剂热合成、丝网印刷和放电等离子烧结与纳米粘合剂相结合。理论计算和详细的纳米结构表征证实，添加Te纳米棒作为纳米粘合剂可以有效提高Bi2Te3薄膜的致密化并构建有效的能量过滤屏障，以同时增强S并保持高σ，从而在室温下获得出色的S 2σ 18.5 μW cm-1 K-2。此外，Te的加入会引起各种晶格缺陷，从而进一步增强声子散射，将κ1降低至0.19 W m-1 K-1。这种优化将ZT提高到303 K时的约1.3，这是柔性热电材料的最高值之一。在r为5 mm的条件下，经过1000次弯曲后性能损失约为2%，表明含有Te纳米粘合剂的Bi2Te3薄膜具有高可靠性和柔韧性。此外，设计的由两对n型（Bi2Te3）和p型（Bi0.4Sb1.6Te3）组成的柔性器件可以实现高达3 μW cm-2 K-2的出色ωn，显示出巨大的应用潜力。 相关研究成果2024年12月12日以“Nanobinders advance screen-printed flexible thermoelectrics”为题发表在Science上。  03 核心创新点 高功率密度：由这种薄膜组装的柔性热电设备（F-TEDs）实现了超过3 mW cm-2 K-2的归一化功率密度，这在丝网印刷设备中是排名最高的。 广泛的适用性：这项技术不仅适用于Bi2Te3基薄膜，还可以扩展到其他无机热电薄膜系统，如Ag2Se，显示出广泛的适用性。 低晶格热导率：通过Ag掺杂、Bi2Te3晶粒之间的晶界以及Te和Bi2Te3之间的相界，有效地散射了各种波长的声子，显著降低了晶格热导率（k1），从而实现了高达1.3的ZT值。 集成到可穿戴设备中的潜力：由于其灵活性和性能，这种薄膜有望集成到可穿戴电源或冷却应用中，为可穿戴电子设备提供可持续的充电和冷却技术。 04 数据概览  图1.丝网印刷Bi2Te3基薄膜及相关器件介绍  图2.丝网印刷Bi2Te3薄膜的相和结构表征  图3.含7.5 wt% Te的丝网印刷Bi2Te3薄膜纳米结构表征  图4.含x wt % Te（x = 0、2.5、5、7.5和10 wt %）的Bi2Te3薄膜的热电性能  图5.丝网印刷Bi2Te3薄膜及器件的柔韧性和性能 05 成果启示 这项研究开发了一种创新、经济高效的技术，将溶剂热、丝网印刷和烧结技术相结合，生产出一种无机柔性热电薄膜。可印刷薄膜由Bi2Te3基纳米板作为高度取向的晶粒和Te纳米棒作为“纳米粘合剂”组成，显示出可印刷薄膜的优异热电性能、良好的柔性、大规模可制造性和低成本。构建了一种由可印刷的n型Bi2Te3基和p型Bi0.4Sb1.6Te3薄膜组装而成的柔性热电装置，其归一化功率密度达到>3 μW cm−2 K−2，在丝网印刷装置中名列前茅。此外，该技术可以扩展到其他无机热电薄膜系统，如Ag2Se，显示出广泛的适用性。这项工作表明，这种创新的制造技术可以实现具有高性能和灵活性的大规模近室温F-TED。虽然还没有将这项技术应用于IC封装，但事实上该器件可以在84 mA的微小输入下导致11.7 K的降温使作者有信心将其应用于先进IC设备的冷却。 原文链接： doi.org/10.1126/science.ads5868（点击文末阅读原文可下载原文献） 声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！  科研绘图  华研科技华研科技(www.cqhuayan.cn)由中科院博士成立，是一支具有科研背景及丰富科研绘图经验的团队，专注于期刊封面、论文插图（TOC/流程图/摘要图/示意图）、科学动画、宣传片、科普视频等设计制作，科研绘图培训/专场培训，为国内外高校和科研院所提供丰富的可视化服务方案。设计作品已发表在Nature、Science、Cell等国际著名杂志上，服务客户的研究领域涵盖生物、物理、化学、医学、计算机、人工智能等各个学科，提供的科学可视化手段包括三维建模、手绘、VR/AR、数字孪生等。华研科技志在为广大科研工作者提供完美的科学可视化服务，节约您宝贵的时间和精力。（如有需要请添加文末微信） 期刊封面作品  论文插图作品   绘图咨询 微信号：huayankeji2023 |
