讓電子產品“自供能”！浙大團隊開發新型鎂基熱電半導體材料解決電量焦慮痛點

柔性電子的發展或使手機像紙一樣輕薄，可穿戴設備也將變得更加輕便、舒適，可以實時監測我們的健康狀況。未來我們的生活可能被各種柔性電子器件所包圍。

目前用于柔性電子的電池“笨重僵硬”，限制了相關產品的靈活性和舒適性。這催生了對高性能、柔性熱電材料的迫切需求。這些材料能夠將熱能直接轉化為電能，比如捕捉周圍環境甚至人運動產生的熱能，從而為柔性電子器件提供持續的電力供應。

日前，浙江大學研究團隊研發了一種具有高熱電性能和高塑性的新型鎂基熱電材料，為解決柔性電子器件的能源供應問題指明了方向，具有重要的應用價值。

未來，可穿戴設備或將不再依賴傳統電池，而是利用我們自身的體溫、運動產生的熱能，實現真正的“自供能”，令人抓狂的“電量焦慮”將成為過去。

相關論文以《高性能鎂基塑性半導體助力柔性熱電技術發展》（High performance magnesium-based plastic semiconductors for flexible thermoelectrics）為題發表在 Nature Communications 上，浙江大學材料科學與工程學院朱鐵軍、付晨光為共同通訊作者。

（來源：Nature Communications）

論文中提到，傳統的無機熱電材料通常具有較高的熱電性能，但其脆性較大，難以應用于柔性器件。而有機熱電材料雖然具有一定的柔韌性，但其熱電性能遠低于無機材料，無法滿足實際應用的需求。

為了解決上述挑戰，本次研究人員將目光聚焦在 Mg3Sb2-xBix 材料體系上。該體系以其低成本、高熱電性能以及豐富的元素儲量而備受關注。

圖 |Mg3Sb2-xBix 的可塑性（來源：Nature Communications）

研究發現，Mg3Sb2 和 Mg3Bi2 這兩種二元化合物在多晶狀態下都具有超過30%的壓縮應變，展現出優異的塑性。

更重要的是，通過優化鉍含量，研究人員成功制備出 Mg3Sb0.5Bi1.498Te0.002 材料，該材料在室溫下實現了 43% 的壓縮應變和 0.72 的熱電優值，遠超現有的柔性熱電材料，甚至可以與商用碲化鉍材料相媲美。

此外，研究人員利用掃描透射電子顯微鏡對制備材料的微觀結構進行了觀察，以深入理解其塑性變形機制。結果表明，材料中存在大量的位錯網絡，這些位錯網絡促進了原子層滑移，從而實現了塑性變形。通過化學鍵分析，還發現 Mg3-Sb/Bi 鍵在滑移過程中能夠保持穩定，有效地維持了材料的結構完整性，這也是 Mg3Sb2-xBix 材料具有高塑性的關鍵原因。

這為制備高集成度、微型化的柔性熱電器件應用鋪平道路。因為 Mg3Sb2-xBix 材料不僅具有優異的塑性，還具有較高的韌性。高韌性使得材料可以被切割成微米級的熱電元件，而不會產生損傷。

為了驗證在柔性熱電器件中的應用潛力，研究人員利用高性能的 Mg3Sb0.5Bi1.498Te0.002 材料成功制備了平面型和垂直型柔性熱電模塊原型。測試結果表明，這些原型模塊的性能遠高于現有的有機柔性熱電模塊，展現出巨大的商業化應用前景。

圖 | Mg3Sb2-xBix 的面內和面外熱電模塊（來源：Nature Communications）

同時，研究人員也指出，目前 Mg3Sb2-xBix 材料與電極之間的界面電阻仍然較高，限制了模塊的輸出性能。未來，通過優化界面材料和制備工藝，有望進一步提高 Mg3Sb2-xBix 柔性熱電模塊的性能，使其在柔性電子器件領域發揮更大的作用。

此外，近年來，由微米級熱電元件制成的微型熱電器件受到廣泛關注，特別是在 5G 通信領域的潛在應用方面。Mg3Sb2-xBix 材料可以高效地制備出尺寸更小的熱電元件，且成品率高，這將有利于其在微型熱電模塊中的應用和發展。

總結來說，本次研究提出了 Mg3Sb2-xBix 材料體系可以同時具備高熱電性能和高塑性。并通過理論計算和實驗觀測，闡明了材料中特殊的化學鍵合方式和位錯網絡結構是其具有高塑性的關鍵因素，為后續設計和開發新型塑性熱電材料提供了理論指導。而成功制備的基于該材料的柔性熱電模塊原型，展現出比傳統柔性熱電材料更優異的性能。

想象一下，未來的一個清晨，你戴上一副輕薄如紙的智能眼鏡，支撐它的電量來自于你自身的體溫。中午，你乘坐一輛無人駕駛汽車，車頂的柔性太陽能電池板源源不斷地將陽光轉化為電能。夜晚，你回到家，墻壁上的柔性傳感器網絡會根據你的體溫、呼吸等指標自動調節室溫。

這些科幻電影般的場景，正是兼具高性能和高柔韌性的新型熱電材料所帶來的無限可能。

（來源：問芯）

在此之前，高性能的熱電材料通常都比較脆，而具有良好塑性的材料熱電性能又不夠理想，該研究成功突破了這一技術瓶頸。塑性材料通常具有更好的抗疲勞性能，能夠在多次彎曲或變形后仍保持性能，這對于提高設備的長期穩定性和可靠性至關重要。

隨著全球能源需求的增長，開發新型高效的能源轉換和存儲材料對于保障能源安全具有重要意義。塑性熱電材料在這方面具有巨大的潛力。

Mg3Sb2-xBix 材料兼具高性能、高塑性、低成本等優點，且易于加工成微型器件，為下一代柔性電子器件的能源供應提供了新的解決方案。

本次研究不僅揭示了 Mg3Sb2-xBix 材料優異性能背后的微觀機制，也為開發新型高性能柔性熱電材料提供了新思路，并有助于為柔性電子器件提供高效、穩定的能源供應和推動柔性電子技術的進一步發展和應用。

可以預見，隨著研究的深入和技術的進步，相關材料將在柔性電子（如可穿戴電子設備、電子皮膚）、物聯網（如無線傳感器網絡、環境監測等）、醫療健康（如可植入式醫療器件、生物傳感器）等領域發揮越來越重要的作用。

參考：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49440-5#author-information