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 熱電材料是一種不需任何外力即可將“熱能”與“電能”相互轉(zhuǎn)換的“綠色”能源材料，可利用生活、生產(chǎn)中的廢熱發(fā)電，或在施加偏壓條件下實(shí)現(xiàn)熱量的精準(zhǔn)傳輸，被廣泛應(yīng)用于溫差電池供電、微系統(tǒng)芯片控溫制冷等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的熱電材料為無機(jī)共價鍵/離子鍵晶體，例如碲化鉍（Bi2Te3）是目前應(yīng)用最廣的熱電材料，其周期性層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)為共價鍵/離子鍵連接，而層間為弱范德華力連接，因而具有本征的脆性，不能發(fā)生柔性變形。傳統(tǒng)熱電材料在實(shí)際應(yīng)用中無法緊密貼合具有復(fù)雜曲率變化的熱源表面（如熱源管道、人體體表等），這種不良熱接觸導(dǎo)致熱量散失和較低的熱電轉(zhuǎn)化效率；同時也難以適應(yīng)熱電器件日趨微型化和高度集成化發(fā)展的需要。因此，高性能柔性熱電材料的研發(fā)已成為本領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

近期，中國科學(xué)院金屬研究所邰凱平研究員課題組、劉暢研究員課題組與合作者研制出一種高性能碲化鉍/單壁碳納米管（Bi2Te3/SWCNT）柔性熱電材料。研究人員采用自主設(shè)計(jì)改進(jìn)的磁控濺射沉積系統(tǒng)，以具有優(yōu)異力學(xué)和電學(xué)性能的自支撐碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)為骨架，利用亞納米尺度的碳管束溝槽限制擴(kuò)散和誘導(dǎo)有序形核以及薄膜材料的溫度選擇性晶面生長機(jī)理，首次制備出具有高度有序顯微特征的Bi2Te3/SWCNT復(fù)合自支撐熱電薄膜材料。該復(fù)合材料具有納米孔隙結(jié)構(gòu)，沉積的Bi2Te3納米晶粒緊密附著于碳納米管束表面，且具有高度（000l）面織構(gòu)，Bi2Te3晶向平行于碳納米管束軸線，相鄰Bi2Te3納米晶粒間為小角度取向傾轉(zhuǎn)晶界。Bi2Te3（000l）面織構(gòu)有利于提高載流子面內(nèi)傳導(dǎo)，小角度晶界能進(jìn)一步降低其對于傳導(dǎo)載流子的散射作用，納米孔隙結(jié)構(gòu)和Bi2Te3/SWCNT界面等缺陷起到散射聲子降低熱導(dǎo)率的作用。研究顯示在這種（000l）面織構(gòu)中，經(jīng)弱范德華力連接的-Te1-Te1-原子面平行于復(fù)合薄膜自由表面，范德華力層間的相對運(yùn)動是復(fù)合薄膜沿面外彎曲變形時表現(xiàn)出良好柔性的重要機(jī)制，相鄰Bi2Te3晶向高度取向一致，且為（000l）范德華力晶面上的易滑移方向，這有利于范德華層間位移在相鄰晶粒間的傳遞。此外，納米孔隙結(jié)構(gòu)也有利于容納材料柔性變形時的相對位移，進(jìn)一步提高柔性變形能力。獨(dú)特的顯微結(jié)構(gòu)賦予該復(fù)合材料在室溫至100攝氏度范圍內(nèi)，沿（000l）面內(nèi)方向的熱電優(yōu)值（ZT）高達(dá)~0.9，與商用塊體脆性熱電材料ZT性能相當(dāng)，同時具有非常優(yōu)異的彎曲柔性力學(xué)性能。進(jìn)一步研究表明，由于該復(fù)合材料具有良好的彎曲柔性與自支撐結(jié)構(gòu)，因此可使用離子束、飛秒激光等微納加工方法將其裁剪成任意幾何形狀和轉(zhuǎn)移至各種類型的基底上，有利于靈活方便地制備各種結(jié)構(gòu)的熱電器件，甚至可以通過靜電力等非接觸式方法操控該復(fù)合熱電材料。同時，研究表明該復(fù)合材料的制備原理和技術(shù)可同樣適用于其他具有弱范德華力連接的層狀結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料體系，在柔性半導(dǎo)體材料和器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

相關(guān)研究成果（“Flexible layer-structured Bi2Te3 thermoelectric ona carbon nanotube scaffold”）于11月19日在《Nature Materials》在線發(fā)表。該工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院裝備研制項(xiàng)目、中科院百人計(jì)劃等項(xiàng)目的支持和金屬所公共技術(shù)服務(wù)部譚軍研究員的大力協(xié)助。

圖1 Bi 2 Te 3 -SWCNT復(fù)合自支撐熱電薄膜材料生長結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 Bi 2 Te 3 -SWCNT復(fù)合材料熱電性能分析

圖3 Bi 2 Te 3 -SWCNT復(fù)合材料彎曲柔性性能分析與MD分子動力學(xué)模擬