调控异质纳米线薄膜实现柔性多功能热电器件
文摘
2024-08-07 11:00
上海
柔性热电器件(FTED)可直接将废能转化为电能，是为可穿电子设备供电的重要能源。同时，柔性热电器件还可作为多功能传感器测量热信号和机械信号。传统的温度传感器主要采用热敏电阻材料，如电阻金属、碳基材料和半导体，而 FTED不仅能将物体温度与环境温度和机械刺激解耦，还能实现自供电温度传感。因此，由干具有能量收集、人机交互和智能感知等功能，这些多功能的 FTED 对可穿戴电子设备尤其具有吸引力。多功能 FTED 应具有较高的塞贝克系数(S)和功率因数(PF)，以实现高效的温度传感和发电。热电(TE)材料的塞贝克系数(S)会影响温度传感的灵敏度，是 FTED 的关键物理参数，尤其是对于温度梯度较小的薄型传感器而言。另一方面，FTED的 PF由S和导电率(阿法)决定，公式为 PF=S2。迄今为止，柔性TE传感器主要由柔性导电聚合物和碳基材料制成。其他柔性TE材料，如碲基材料，具有较高的S值，但PF值极低。虽然使用具有高 PF 值的碲化铋基合金也能制造柔性TE传感器，但 TE合金的S值仍然不足，而且制备传感器需要昂贵的仪器和繁琐的工艺。为了避免减少能量收集和人体在阳光下过热，人们利用被动辐射冷却(PRC)材料来提高 FTED的整体性能。此外，随着对南极洲和太空等极端条件的探索不断深入，器件在极端环境下的耐受性也受到了更多关注。柔性热电器件具有绿色能源发电、温度传感和舒适穿戴的能力，因此在可穿戴电子设备中大有可为。然而，如何同时实现出色的多功能传感和发电是这些器件面临的一个挑战。在此，中科大刘建伟教授课题组通过优化塞贝克系数和功率因数，为柔性多功能热电器件设计了有序Te基异质纳米线薄膜。所获得的器件可有效检测物体和环境温度、热传导率、热接近度和气流。此外，将热电装置与辐射冷却材料相结合，还能显示出卓越的热管理能力，防止装置过热，避免发电性能下降令人印象深刻的是，这种多功能电子器件在极端的低地球轨道环境中表现出卓越的耐受性。这种热电器件的制造为多模式传感和能量收集提供了创新性的见解。相关研究以“Manipulating Hetero-nanowire Films for Flexible and Multifunctional Thermoelectric Devices”为题发表在Advanced Materials期刊上。Figure 1. Schematic illustration for the fabrication of multifunctional FTEDs.Figure 2. Characterization of Te-Au hetero-NW films.Figure 3. Sensing object temperature and thermal conductivity.Figure 4. Cooling performance of FTEDs.Figure 5. The tolerance of FTEDs to harsh environments.在这项工作中，作者提出了用于构建多模态 FTED 的新型高性能 TE NW。FTED 可感应双模温度、接近度、热导率和气流，同时具有巨大的发电潜力。此外，通过控制原位反应时间，异质纳米线的 TE 特性具有广泛的可调范围。然后，证明了与传统的银反射膜相比，FTED的 PRC 矩阵可以大大降低阳光下的光热温度，从而提高发电效率，改善实际应用中的人体舒适度。令人惊讶的是，由 AI2O3 NPs和 PDMS 组成的 PRC 矩阵在低温、紫外线辐射和原子氧AO 暴露等极端条件下表现出卓越的抗逆性，使 FTED 成为在恶劣环境中进行探索的理想选择。Manipulating Hetero-nanowire Films for Flexible and Multifunctional Thermoelectric Deviceshttps://doi.org/10.1002/adma.202400020Authors: Cheng Chen, Feng-Qi Xu, Yabei Wu, Xin-Lin Li, Jie-Long Xu, Bin Zhao, Zhen He, Jiong Yang, Wenqing Zhang, Jian-Wei Liu*本文来源：作者团队，感谢作者团队对本公众号的大力支持！如有侵权，请联系删除，如有冒犯之处敬请见谅!
