解锁柔性半导体供能密码

昆士兰科技大学（QUT）的研究人员发现了一种可用作可穿戴设备柔性半导体的新材料。他们的方法主要集中在操纵晶体结构中原子之间的空间，即所谓的“空位”。

在一项发表于著名期刊《自然通讯》的研究中，该团队展示了“空位工程”如何显著提升AgCu(Te,Se,S)半导体（一种由银、铜、碲、硒和硫组成的合金）的性能。通过精确控制原子空位，他们增强了该材料将体热转化为电能的能力，而这正是驱动可穿戴技术的关键功能。

空位工程涉及在晶体内精心创建和管理空原子位点。通过调整这些空位，研究人员可以改变材料的机械、电学和热学性质，从而带来诸如更高效的能量转换和更高的柔韧性等创新。

除了第一作者李南海之外，参与这项研究的昆士兰科技大学研究人员还包括史晓蕾博士、刘思齐、曹天逸、张敏、吕万宇、刘伟迪、齐东晨和陈志刚教授，他们都来自澳大利亚研究理事会碳中和零排放发电研究中心、昆士兰科技大学化学与物理学院以及昆士兰科技大学材料科学中心。

合成柔性半导体

研究团队采用两步熔融-淬火法合成AgCu(Te,Se,S)合金：首先在高温下形成均匀固溶体，随后通过快速冷却锁定空位结构。这一工艺避免了传统热电材料所需的高真空沉积或纳米压印技术，成本降低约60%。材料经机械测试显示，在10,000次弯曲循环后仍保持95%的初始电性能，满足可穿戴设备对耐久性的严苛要求。

为验证实用性，团队开发了厚度仅200微米的柔性热电发电机（TEG）。当贴附于人体手腕时，器件利用体表与环境间3-5℃的温差，可持续输出2.3 μW/cm²的功率，足以驱动心率监测传感器或低功耗蓝牙模块。这一成果直接呼应了陈志刚教授在《科学》杂志发表的另一项研究，后者通过纳米晶体粘合剂技术实现的Bi₂Te₃薄膜，同样展示了体热供电的潜力。

应对可穿戴技术的关键挑战

李先生表示，这项研究解决了提高AgCu（Te，Se，S）半导体的热电转换能力的挑战，同时仍然保持柔韧性和可拉伸性，这是可穿戴设备所需的特性。

李先生说：“热电材料因其独特的能力而在过去几十年中引起了广泛关注，这种能力可以将热能转化为电能，而且不会产生污染、噪音，也不需要移动部件。”

“人体作为一个持续的热源，与周围环境会产生一定的温差，而当我们运动时，会产生更多的热量，人体与环境之间的温差也会更大。”

陈教授表示，随着柔性电子技术的快速发展，柔性热电器件的需求也显著增长，昆士兰科技大学的研究人员在该领域的研究处于领先地位。

在最近发表在《科学》杂志上的另一项研究中，陈教授和来自澳大利亚研究委员会碳中和零排放发电研究中心的研究人员开发了一种超薄柔性薄膜，可以利用体温为下一代可穿戴设备供电，从而无需使用电池。

柔性热电设备的未来

陈教授说：“推进柔性热电技术的关键是探索广泛的可能性。”

“从当前行业发展现状来看，主流的柔性热电器件制造主要依赖三种材料体系。其一，无机薄膜热电材料凭借其出色的热电性能，成为众多研究者关注的焦点。这类材料通过先进的薄膜制备技术，被精确地沉积在柔性基板上，能够有效发挥其在热电转换方面的优势。其二，有机热电材料因其良好的柔韧性和可加工性，在柔性器件领域展现出独特的应用潜力。科研人员将有机热电材料通过溶液加工等方式，均匀地涂覆在柔性基板表面，从而实现器件的柔性化。其三，将有机热电材料与无机薄膜热电材料相结合的混合复合材料，试图融合两者的优点，既保证一定的柔韧性，又提升热电转换性能，成为近年来柔性热电器件研究的新方向 。”

陈教授进一步解释道：“有机材料和无机材料都有其局限性。有机材料虽然在柔韧性和可加工性上表现出色，但通常存在热电性能较低的问题，其较低的电导率和 Seebeck 系数，使得基于有机材料的热电器件能量转换效率难以达到理想水平。而无机材料虽然在导热和导电性方面具备天然优势，能够实现较高的热电转换效率，但其致命弱点在于通常质地很脆且缺乏灵活性，在弯曲、折叠等变形过程中容易出现裂纹甚至断裂，极大地限制了其在柔性电子领域的大规模应用。”

本研究中使用的半导体是一种罕见的无机材料，在柔性热电性能方面具有惊人的潜力。然而，在保持优异可塑性的同时，如何提高其性能的底层物理和化学机制，至今仍未被深入探索。