帖子
勛章
關(guān)注
任務(wù)
金屬所研制出高性能柔性復合熱電材料 近期，中國科學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)計改進的磁控濺射沉積系統(tǒng)，以具有優(yōu)異力學和電學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散和誘導有序形核以及薄膜材料的溫度選擇性晶面生長機理，首次制備出具有高度有序顯微特征的Bi2Te3/SWCNT復合自支撐熱電薄膜材料。該復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<-12-10>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，小角度晶界能進一步降低其對于傳導載流子的散射作用，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-原子面平行于復合薄膜自由表面，范德華力層間的相對運動是復合薄膜沿面外彎曲變形時表現(xiàn)出良好柔性的重要機制，相鄰Bi2Te3<-12-10>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，進一步提高柔性變形能力。獨特的顯微結(jié)構(gòu)賦予該復合材料在室溫至100攝氏度范圍內(nèi)，沿（000l）面內(nèi)方向的熱電優(yōu)值（ZT）高達~0.9，與商用塊體脆性熱電材料ZT性能相當，同時具有非常優(yōu)異的彎曲柔性力學性能。進一步研究表明，由于該復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合熱電材料。同時，研究表明該復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)半導體材料體系，在柔性半導體材料和器件領(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研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院裝備研制項目、中科院百人計劃等項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 Bi2Te3-SWCNT復合自支撐熱電薄膜材料生長結(jié)構(gòu)示意圖  圖2 Bi2Te3-SWCNT復合材料熱電性能分析  圖3 Bi2Te3-SWCNT復合材料彎曲柔性性能分析與MD分子動力學模擬
|
