发展可再生能源不仅是我国的国策，也是确保经济稳定和可持续发展的关键。 全球约80%的发电厂利用热能发电，但此类发电厂的平均效率仅为~30%，每年约有~15TW的热量流失到环境中。 如果这部分能源能够得到回收利用，可以有效缓解当前突出的能源和环境问题。 以热电材料为核心的热电转换技术，无需任何外力即可直接转换“热”和“电”两种不同形式的能量，受到科学界和工业界的广泛关注。 特别是近年来，以可穿戴、植入式设备为代表的新一代智能微纳电子系统迫切需要开发微瓦-毫瓦级自供电技术来替代传统的充电电板，以满足其小型化、智能化的趋势。高密度。 为现代化、高稳定性和可靠性发展的技术要求。 热电材料可以利用人体温度与周围环境的温差来发电，从而成为便携式智能电子元器件自供电技术的有效解决方案。
一方面，与其他类型的能量转换方式相比，热电技术的能量转换效率不高，仅为10%左右，严重阻碍了热电技术产业的发展。 热电材料的性能可以通过热电品质因数（zT）来判断：
zT=S2σT/(κe+κL)
其中 S 为材料的系数，σ 为浊度率，T 为工作体温度，κe 和 κL 分别为电子和声子的热导率。 由于受本征化学性质的限制，决定zT值的参数之间相互关联、相互阻碍，致使热电材料的品质因数无法得到大幅度提高。
另一方面，为了保持温差，充分利用热能发电，需要热电材料/元件紧密贴附在热源表面。 然而，在实际应用中，人体表面和热源管道都存在曲率变化复杂的几何表面。 传统的无机热电材料，由于其固有的延展性，不能满足紧密贴合变化曲率的热源表面的要求，致使热源与热电材料/元件之间的热能损耗处于较高范围. 不仅热电材料本身的热电品质因数高，而且这种热源与热电材料接触不良造成的热能损失也成为阻碍现有热电技术发展的关键因素之一。
为此，探索通过尺度效应、合金化、界面能垒调控等方式降低系数的途径，以及利用多尺度缺陷散射声子抑制热导率提高热电转换性能的设计策略，开发新型高性能材料柔性热电材料及其组分制备技术和提高无机热电材料本征延展性的机理研究已成为该领域的全球性难点和热点问题。
中国科学技术大学金属研究所材料科学北京国家（联合）实验室研究员邰开平旨在从原子尺度设计制备具有高度有序微观结构的热电薄膜材料及元件。 借助化学液相沉积技术，将相邻的碳化物调整为小角度倾斜的氢键，首次在面内和面外得到大面积高度织构取向的热电薄膜方向已经实现。 研究表明，小角度倾斜的氢键可以抑制它们的自旋散射，增加面内浊度，同时保持对声子的散射作用，降低热导率，显着提高热电转换性能。 它是制备高性能热电薄膜材料的基础。 有效的方法。
图1 非平衡磁控沉积制备的小角度倾斜氢键薄膜材料的SEM(a)、TEM(b)微观结构分析、热电薄膜加热器的光学显微分析(c)、三维形貌分析步进仪器(d)和加热器结构示意图(e)-(f)
基于上述技术，结合研究团队设计建立的高精度微束激光加工平台，开发了合金薄膜微加热器。 热电对长度~25 μm，面馆尺寸~200×200 μm。 微区加热通量可达~40W/cm2。 该组件在微系统热管理领域具有广阔的应用前景废电子元器件与材料的回收利用，如CPU芯片的定点冷却、微型激光晶闸管的温度控制等。该工作在微系统的制备和加工领域取得了技术突破。国外热电薄膜微型加热器。 入选2017年中国材料大会“热电材料与元件分会优秀壁展奖”，申请发明专利1项，授权2项。
该团队首次采用非平衡磁控溅射技术废电子元器件与材料的回收利用，以纤维素纸为碳化物，制备出具有微米至纳米多尺度孔结构的碲化铋复合热电薄膜材料，如右图所示。
图2 纤维素/复合柔性热电材料多尺度孔结构设计与SEM结构表征示意图
研究表明，由于不平衡磁控溅射技术的特点，碲化铋薄膜与纤维素界面紧密结合，沉积标称长度可达数十微米，可有效降低薄膜电阻元件，提高热电转换的输出效率； 纤维 平纹/奇特的网络结构、多尺度孔隙结构和膜尺度效应赋予纤维素/复合材料良好的弯曲柔韧性； 复合热电薄膜中的多尺度孔结构可以有效散射声子，提高导热系数值，使其接近理论最大导热系数； 薄膜表面有一层本征氧化层。 当门在相邻的纤维素表面膜之间传输时，界面处的氧化层可以散射和过滤低能自旋，从而显着提高系数。 为此，纤维素/复合材料在473K温度下的热电性能ZT值可达0.24~0.38，有望通过栅极含量优化进一步提高。 借助高精度微束激光平台，将复合柔性热电材料切割集成，展示了基于复合材料的柔性热电“发电机”。 该工作为探索高性能新型柔性热电材料提供了新的思路和解决方案，为柔性热电元件的实用化发展开辟了新的方向。
研究工作得到了国家自然科学青年基金、面上基金和中科院“百人计划”的支持。
图 3. 纤维素/复合材料的热电特性 (ad) 和柔性弯曲特性的表征
图4 多尺度多孔碲化铋复合材料的XPS分析和复合薄膜材料的三维纳米X射线成像分析及界面能垒过滤低能自旋效应示意图
图 5 复合柔性热电材料原位弯曲热性能测试及利用人体与环境温差产生的热电压
图6 柔性热电“发电机”装置结构设计示意图及回收余热发电示范
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