清華新聞網(wǎng)1月12日電 以離子為載流子的塞貝克效應(yīng)為開(kāi)發(fā)高性能熱電器件開(kāi)辟了全新途徑，然而，當(dāng)前已報(bào)道的離子熱電材料依然受到各種因素限制，存在一些難以克服的瓶頸。離子熱電材料多以含有水溶液的凝膠為主，液體容易蒸發(fā)或泄漏，導(dǎo)致其穩(wěn)定性欠佳，且離子熱電材料以P型為主，可選擇的N型材料種類(lèi)非常有限。目前尚缺乏針對(duì)全固態(tài)離子型熱電材料P-N型轉(zhuǎn)換的普適性機(jī)理和有效調(diào)控方法，極大地限制了離子熱電的實(shí)際應(yīng)用。
清華大學(xué)張興教授、馬維剛副教授課題組和香港科技大學(xué)黃寶陵副教授課題組合作報(bào)道了一種可選擇性調(diào)控P-N型的全固態(tài)柔性離子熱電復(fù)合材料（PVDF-HFP/NaTFSI/PC）。該材料室溫下展示出高塞貝克系數(shù)（20 mV K-1）并且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過(guò)引入強(qiáng)電負(fù)性三(五氟苯基)硼烷（TPFPB）分子，有效地抑制了陽(yáng)離子在聚合物中的輸運(yùn)，成功將該P(yáng)型材料調(diào)控至N型（-6 mV K-1）。通過(guò)傅里葉變換紅外和拉曼光譜等實(shí)驗(yàn)表征并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員系統(tǒng)研究了離子熱電性能關(guān)鍵參數(shù)間的耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)塞貝克系數(shù)與陰、陽(yáng)離子產(chǎn)生的伊士曼熵變絕對(duì)值具有緊密聯(lián)系，當(dāng)陽(yáng)離子產(chǎn)生的熵變值高于陰離子時(shí)，復(fù)合材料表現(xiàn)為P型，反之為N型，對(duì)揭示全固態(tài)離子熱電材料P-N型轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制具有重要意義。
圖1 (a) P-N型轉(zhuǎn)換調(diào)控示意圖，（b）電壓響應(yīng)方向?qū)Ρ葓D，（c）P型至N型塞貝克系數(shù)變化圖，（d）P型和N型離子產(chǎn)生熵變圖，（e）已報(bào)道的P-N型塞貝克系數(shù)范圍對(duì)比圖
此外，研究人員開(kāi)發(fā)了基于離子熱電效應(yīng)的無(wú)接觸式自供電熱智能探測(cè)器，在較寬的光、熱刺激范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的響應(yīng)特性、可重復(fù)性和高靈敏度。同時(shí)，研究人員開(kāi)發(fā)出由13對(duì)P-N熱電臂組成的平面式熱傳感器，該傳感器在10K溫差下可產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定電壓。
該研究對(duì)離子熱電關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控和新型離子熱電材料開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義，為基于離子熱電效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了新范式。相關(guān)成果以“選擇性調(diào)控全固態(tài)柔性離子熱電材料的塞貝克系數(shù)及其應(yīng)用于熱感知的研究”（Selectively TuningIonic Thermopower in All-Solid-State Flexible Polymer Composites for Thermal Sensing）為題，于1月11日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上。
圖2 (a)離子熱電發(fā)電機(jī)，（b）離子熱電探測(cè)器，（c）發(fā)電機(jī)在不同溫差下的響應(yīng)結(jié)果，（d）熱探測(cè)器在不同熱源下的響應(yīng)，（e）無(wú)接觸式自反饋控制圖
清華大學(xué)航天航空學(xué)院博士后赤騁，清華大學(xué)在職博士后、陜西科技大學(xué)副教授安盟為文章的共同第一作者。清華大學(xué)馬維剛副教授、香港科技大學(xué)黃寶陵副教授為該文章的共同通訊作者。合作者包括美國(guó)伍斯特理工學(xué)院王巖教授、張瑞寒博士，澳大利亞昆士蘭大學(xué)巴里斯·德米爾（Baris Demir）研究員等。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27885-2
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：李華山
審核：詹萌
