摘要：大家好！今天一起来了解超柔性无机薄膜基热电器件——《Enabling ultra-flexible inorganic thin-film-based thermoelectric devices by introducing nanoscale titani
大家好！今天一起来了解超柔性无机薄膜基热电器件——《Enabling ultra-flexible inorganic thin-film-based thermoelectric devices by introducing nanoscale titanium layers》发表于《nature communications》！新型超柔性无机薄膜基热电器件的出现带来了新希望。它通过巧妙引入纳米级钛层，对传统器件进行革新！接下来，咱就一起深入探究它的秘密吧！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
在当下，传统的热电器件大多是固态构造，就像一个个小堡垒，虽然在一些方面能发挥作用，但面对像人体皮肤、排水排气管这类奇奇怪怪的不规则热源时，就完全傻眼啦，根本没法有效利用它们散发的废热。
二、实验材料与方法
（一）薄膜制备
科学家们用磁控溅射系统这个神奇的工具，在473K和2Pa的条件下，让p型和n型薄膜在PI基板上“安家落户”。同时，Ti和Cu薄膜也被巧妙地溅射出来，成为电极和功能层的重要组成部分。通过精心控制沉积速率和溅射时间，就像精心雕琢一件艺术品一样，让各层厚度都恰到好处。在这之前，还得用稀释硝酸和丙酮把PI基板彻底清洗干净，再用氮气流吹干，给薄膜一个干净整洁的“家”。
（二）器件制作
这里用到了不锈钢掩模这个小助手哦！先在上下PI板上用磁控溅射和掩模辅助沉积技术依次沉积连接金属垫，然后在特定区域沉积热电薄膜对。最后，用倒装芯片键合技术把上下PI板紧紧粘在一起，就像把两块拼图完美拼接起来一样，形成了一个由162对p/n偶组成的模块。之后再进行退火处理，让它们的结合更加紧密，就像给它们注入了一股团结的力量！
（三）性能表征
为了全面了解这些薄膜和器件的情况，科学家们用上了XRD、SEM、Cs-STEM、EDS等一系列高科技手段。用XRD来分析晶体结构；用SEM观察形貌；用Cs-STEM和EDS研究成分和微观结构，深入了解它们的内在组成。同时，还用ZEM-3仪器等测量热电性能相关参数，而且每个测试都重复10次，确保数据的准确性，就像反复核对账目一样严谨！
三、实验结果
（一）薄膜性能
这些薄膜可厉害啦！p型和n型薄膜在室温下的ZT值分别达到了1.39和1.44，这就意味着它们在热电转换方面有着超强的能力。它们的电导率、塞贝克系数和功率因子都相当高，这都得益于对磁控溅射工艺的优化，让薄膜的取向和成分都接近理论上的最佳状态。从下面的表格就能清楚地看到这些优秀的数据。
而且哦，XRD结果显示薄膜具有很强的（015）取向，就像一群排列整齐的士兵。Cs-STEM图像还发现薄膜在纳米尺度存在晶格缺陷，这些缺陷可不是坏事，它们能有效散射声子，降低热导率，从而提升ZT值，就像给薄膜穿上了一件隐形的加速衣！
（二）功能层作用
这里的10nmTi接触层和Ti阻挡层可是大功臣！Ti接触层就像一个超级强力胶，把PI基板和Cu电极紧紧粘在一起，让器件变得超级灵活。经过多次弯曲测试，在10mm弯曲半径下弯折100次以上，它的电阻变化率仅仅只有3.3%，这稳定性简直绝了！而Ti阻挡层呢，就像一个小卫士，能有效降低器件的内阻，还能增强Cu电极与热电薄膜之间的紧密程度，让整个器件的输出性能大大提升，就像给器件打了一针强心剂！
（三）器件性能
这个器件的性能更是让人惊叹！在仅仅5K的温差下，它的输出功率密度就能达到，归一化功率密度超过，这可比以前的那些器件厉害多啦！就像一个小小的运动员，爆发出了巨大的能量。而且哦，三个串联的器件连接到50°C的不规则热源上时，竟然能输出1.85V的电压，轻松点亮一个LED，根本不需要额外的散热器或升压器，这简直太方便啦！
四、研究结论
该研究首次制备出兼具高柔性和高性能的热电器件，其独特的界面设计是性能优异的关键。纳米级 Ti 接触层和阻挡层分别提升了器件的柔性和输出性能，尽管在循环弯曲过程中 Ti 阻挡层可能出现初始断裂，但整体不影响器件功能。该器件在可穿戴电子设备、光热转换等领域具有巨大应用潜力，推动了柔性热电器件的发展。
五、一起来做做题吧
1、传统商业化热电器件难以利用不规则热源废热的主要原因是？
A. 材料成本过高
B. 结构为固态且不适应不规则形状
C. 热转换效率低
D. 缺乏合适的电极材料
2、在薄膜制备过程中，沉积 p 型和 n 型热电薄膜的温度和压力条件是？
A. 473K 和 2Pa
B. 373K 和 3Pa
C. 573K 和 1Pa
D. 273K 和 4Pa
3、p 型薄膜在室温下的 ZT 值是多少？
A. 1.44
B. 1.39
C. 1.0
D. 0.5
4、该热电器件能实现高柔性和高性能的关键因素是？
A. 采用了新型的有机材料
B. 独特的界面设计
C. 增加了薄膜厚度
D. 提高了退火温度
参考文献：
Tan, M., et al. Enabling ultra-flexible inorganic thin-film-based thermoelectric devices by introducing nanoscale titanium layers. Nat Commun 16, 633 (2025).
来源：知识泥土六二三
