高功率因子的Ag2Se/Ag/尼龍柔性可穿戴熱電器件
第一作者：吳文航
通訊作者：溫錦秀、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
柔性熱電發(fā)電器件因其可直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的獨(dú)特魅力，在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。在室溫環(huán)境下使用的傳統(tǒng)熱電材料多為碲化鉍基，但其剛性和碲元素的毒性不適用于可穿戴領(lǐng)域。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)硒化銀（Ag2Se）材料因具有媲美碲化鉍基材料的熱電性能，同時(shí)與柔性的尼龍基底結(jié)合具有良好的力學(xué)性能，獲得的柔性的硒化銀/尼龍復(fù)合薄膜被視為具有潛在應(yīng)用前景的室溫柔性熱電材料，可推廣在可穿戴領(lǐng)域使用。
近日，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心溫錦秀副教授和羅堅(jiān)義教授課題組報(bào)道了一款高功率因子的Ag2Se/Ag/尼龍復(fù)合柔性熱電器件。該工作采用濕化學(xué)法制備Ag2Se納米線(xiàn)，并在制備過(guò)程中通過(guò)優(yōu)化AgNO3與Se的比例，以及采用不同還原劑，合成不同尺寸銀摻雜Ag2Se納米材料。通過(guò)真空輔助過(guò)濾與冷壓和熱壓相結(jié)合的成膜工藝制備Ag2Se/Ag尼龍復(fù)合柔性熱電薄膜。進(jìn)一步通過(guò)串聯(lián)多腿熱電薄膜制作成可穿戴熱電器件，并研究其利用人體溫差發(fā)電和不同環(huán)境下輸出熱電特性應(yīng)用研究。
本工作以“High Power Factor of Ag2Se/Ag/Nylon Composite Films for Wearable Thermoelectric Devices”為題已發(fā)表在Nanomaterials期刊上。
論文具體工作內(nèi)容
圖1 不同還原劑制備Ag2Se/Ag粉末的物相、形貌表征及其對(duì)應(yīng)的熱電性能測(cè)試。（a）不同方法銀摻雜硒化銀粉末XRD圖：S1和S2樣品是采用乙二醇作純還原劑，n（AgNO3）/n（Se）為2:1和4:1，S3和S4樣品是添加L-抗壞血酸（AA）輔助還原劑，n（AgNO3）/n（Se）為4:1；（b）對(duì)應(yīng)圖（a）S1-S4樣品的SEM圖；（c）對(duì)應(yīng)圖（a）S1-S4樣品制備的熱電復(fù)合薄膜熱電性能測(cè)試。
圖2 彎曲穩(wěn)定性測(cè)試。（a）樣品S2制備的Ag2Se/尼龍復(fù)合薄膜彎曲2000次后電導(dǎo)率保持11.5 %，（b）樣品S3制備的Ag2Se/Ag/尼龍復(fù)合薄膜彎曲2000次后電導(dǎo)率保持89.4 %。
圖3 Ag2Se/Ag/尼龍復(fù)合薄膜制備的7腿熱電器件的輸出性能。（a）開(kāi)路電壓與溫差之間的關(guān)系（插圖是7腿熱電器件照片），（b）在?T 為10 K和30 K時(shí)的輸出電壓和功率與電流之間的關(guān)系。（c）由手臂和環(huán)境之間的?T 產(chǎn)生的6.6 mV電壓圖（插圖是23條腿熱電器件相應(yīng)的紅外熱圖像），（d）在燒杯的上（冷）表面和下（熱）表面之間產(chǎn)生的18 mV電壓的照片（插圖是對(duì)應(yīng)的紅外熱圖像）。
總結(jié)與展望
本文制備的Ag2Se/Ag/尼龍復(fù)合薄膜在室溫下獲得了2277.3 μW?m?1 K?2 的功率因子，ZT 約為0.71。而且Ag2Se/Ag/尼龍復(fù)合熱電薄膜彎曲2000次后電導(dǎo)率仍能保持89.4%。通過(guò)串聯(lián)23腿熱電薄膜制作成可穿戴熱電器件，在30 K的溫差下產(chǎn)生的電壓為19 mV，最大功率為3.48 μW（對(duì)應(yīng)的功率密度為35.5 W m?2）。這項(xiàng)工作提供了一種優(yōu)化熱電薄膜的制備方法，為設(shè)計(jì)改進(jìn)的柔性熱電器件提供了一條潛在的途徑。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：吳文航，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2023屆碩士研究生。
通訊作者：溫錦秀，女，理學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院光電專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人，主要研究方向?yàn)椋喝嵝詡鞲胁牧虾推骷捌鋺?yīng)用研究，以第一作者身份在ACS Nano，Nano Letters，Small等重要國(guó)際期刊發(fā)表論文多篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利20項(xiàng)，授權(quán)專(zhuān)利10多項(xiàng)。主持項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金（青年科學(xué)基金）1項(xiàng)，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（青年基金項(xiàng)目）1項(xiàng)，五邑大學(xué)港澳聯(lián)合研發(fā)基金1項(xiàng)。作為指導(dǎo)老師指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽、廣東省“挑戰(zhàn)杯”、廣東省“攀登計(jì)劃”等獲獎(jiǎng)多項(xiàng)。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師, 江門(mén)市首屆 “僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市十佳教師。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
High Power Factor of Ag2Se/Ag/Nylon Composite Films for Wearable Thermoelectric Devices.
DOI：10.3390/nano12234238
