近日，我校物理與光電工程學院鄭壯豪研究員課題組在國內高水平期刊《Carbon Energy》發表了題為"Ultra-high thermoelectric properties of p-type Bi_xSb_2-xTe₃thin films with exceptional flexibility for wearable energy harvesting"的研究成果。《Carbon Energy》2019年入選中國科技期刊卓越行動計劃“高起點新刊”，2022年2023年連續兩年獲“中國最具國際影響力學術期刊”稱號，中科院期刊分區大類1區期刊，2023年影響因子為20.5。我院鄭壯豪研究員為論文第一作者，其指導的碩士生鐘一鳴為第二作者，魏萌博士后與陳躍星助理教授為通訊作者，深圳大學為第一通訊單位。

成果簡介

隨著移動互聯網時代的迅速發展，可穿戴設備在日常生活中的使用越來越重要。然而在一套完整的集成電子系統中，傳統的電源設備大多數都是在剛性半導體芯片上制造的，無法滿足可穿戴設備向著微型化柔性化的趨勢。柔性熱電（TE）器件基于塞貝克效應（Seebeck effect），可以實現熱能與電能的相互轉換，同時更易于集成到可穿戴的設備中。P型碲化銻（Sb₂Te₃）在室溫下熱電性能優異，屬于斜方晶系，是典型的窄帶隙半導體材料。然而，由于Sb₂Te₃獨特的層狀晶體結構以及較高的電子遷移率，使得材料的塞貝克系數較低，熱導率較高。熱電材料的性能由材料熱電優值ZT決定，解耦電聲輸運關系達到高功率因子S²σ和低熱導率κ，是獲得高ZT值的關鍵所在。無機薄膜是獲得柔性電源極具前途的候選材料，但獲得高性能、高柔韌性的熱電薄膜仍然是一個巨大的挑戰。

該工作采用一種新型“熱擴散”工藝，設計Bi元素對Sb₂Te₃薄膜進行合金化。根據Sb、Bi原子與Te原子電負性以及原子半徑的差異，Bi有效替代Sb原子位置，可有低Sb與Te的反位缺陷濃度，使得載流子濃度降低。根據單拋帶模型理論，塞貝克系數得到了提高，熱導率中的電子熱導率得到了有效的降低。并且合金化形成的位錯等缺陷強化了聲子散射，有效降低了晶格熱導率。最終薄膜在393K溫度下獲得了1.11的高ZT值，同時具有優良的柔韌性（在約5 mm的半徑下彎曲1000次后電阻增加小于5%）。此外，還利用制備的p型Bi_xSb_2-xTe₃和n型Ag₂Se薄膜制造了柔性器件。因此，在25 K的溫差條件下，實現了~1028 μWcm^-2的出色功率密度。

研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、廣東省自然科學基金杰出青年基金、深圳市科技計劃等項目支持。論文鏈接：https://doi.org/10.1002/cey2.541

（來源 深圳大學物理與光電工程學院）