一种基于β相制造技术

本发明专利技术公开了一种基于β相

【技术实现步骤摘要】
一种基于
β
相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料及器件


[0001]本专利技术涉及柔性可穿戴电子材料和器件
，特别涉及一种基于β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料及器件。

技术介绍

[0002]热电材料是指能使热能和电能互相转化的材料，通过塞贝克效应、珀尔贴效应以及汤姆逊效应来实现能量转换，可用于温差发电或热电制冷等用途。热电发生器基于热电材料两端的温差产生热电势，从而将热能直接转换成电能。热电材料的转换效率主要由无量纲的热电优值ZT(ZT＝S2σT/κ，其中S、σ、T和κ分别代表塞贝克系数、电导率、绝对温度和热导率)决定，ZT值越高则热电转换效率越高。
[0003]随着可穿戴式电子设备的普及和发展，传统电池不可变形以及需要经常更换或充电等缺点，在一定程度上制约了可穿戴设备的进一步发展。热电器件能够利用体温与环境的温差进行供电，提供了一种极具潜力的解决方式。这种可穿戴设备，尤其是需要贴合人体自然曲率以及经受动态变形过程的柔性器件(如贴片式健康监测设备等)，对热电器件的可变形性提出了极高的要求。热电器件主要由衬底、热电材料、电极三部分构成，其中只有热电材料难以实现柔性替代。因此开发柔性热电器件关键在于寻找合适的柔性热电材料。
[0004]近年来，有研究者使用有机高分子材料(如聚噻吩、聚砒咯等)作为热电材料，该材料具有极佳的柔性，但有机高分子材料本身存在的一些缺点限制了其在柔性电子器件中的应用，包括有机半导体材料的迁移率及导电率偏低、热电优值偏低(普遍小于0.1)、器件有效工作频率低等。此外，高分子聚合物在空气、水和热的服役环境下容易发生老化以及制备过程难以保持足够高的纯度等因素，也极大的影响器件在服役过程中的稳定性和可靠性。
[0005]相对来说，无机热电材料的性能优异，工作可靠性高，研究者将无机热电材料沉积或集成至柔性衬底上，借助衬底的柔性实现器件的变形。但目前占据主要市场的无机热电材料如PbTe、Bi2Te3等传统热电材料，在室温下呈现本征的脆性，容易产生裂纹或空隙，导致器件的可变形程度有限，且热电材料容易剥落或者断裂。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料及器件，该材料兼具良好柔性和优异热电性能，有望改善传统热电材料的可变形性。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种基于β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料，化学通式为MX，其中M为ⅢA族原子(M＝Al、Ga、In、Tl中的一种或多种)，X为
Ⅵ
A族原子(X＝S、Se、Te中的一种或多种)，M和X按照1:1的原子比例结合形成β相层状结构，材料的断裂韧性范围为0.08～0.35MPa
·
m
0.5
。
[0009]所述β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机柔性材料，结构特征为单胞中包含两个原子层块，每个原子层块由四层原子沿c轴方向按X
‑
M
‑
M
‑
X方式堆叠而成，两个原子层块间为间隙层，其中原子
层块内的作用力由M
‑
X共价键和层内M
‑
M共价键组成，间隙层的作用力由相邻两原子层块间M
‑
X原子之间的相互作用组成，该作用包括范德华力和弱共价相互作用。
[0010]所述β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机柔性材料杨氏模量范围为20～100GPa，滑移能范围为解离能范围为作为P型热电材料其热电优值≥0.8，作为N型热电材料其热电优值≥0.1。
[0011]一种基于β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料制备的器件，包括衬底、P型热电臂、N型热电臂和电极，器件中P型热电臂和N型热电臂中至少有一种由β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物材料制备得到。
[0012]所述器件以β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料为热电臂，以柔软的薄金属片或细金属丝为电极，以柔软的高分子化合物为衬底，柔性热电材料构成一对热电臂，一对热电臂的低温端(或高温端)通过电极相互连接，而高温端(或低温端)与另一热电臂的高温端连接，构成串联的热电对，根据所需电压确定串联的热电臂的数目，将所得热电对固定于柔性衬底上，形成柔性热电器件。
[0013]所述金属为纯铜、纯镍、纯铝、纯银或纯金等。
[0014]所述高分子化合物为聚碳酸酯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯。
[0015]本专利技术的有益效果：
[0016]本专利技术基于β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料，具有层状结构，与其他大部分层状结构材料不同的是，由于层间存在一定化合成键作用，其不同层块间除了具有范德华力，还具有额外的弱共价相互作用，因此整体材料具有良好的可变形性，能进行一定程度的变形。以β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物为热电材料制备的柔性热电器件，可用于贴合人体曲率或者其他承受变形的服役场景，且由于
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物具有较高的断裂韧性，不易发生断裂，能够提高柔性热电器件在服役过程中的可靠性。同时，
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料有较高的热电优值(远高于同样具有良好柔性的高分子材料)，热电性能优异，能够提升热电器件的转换效率。该类材料为无机化合物，能够避免以高分子材料作为热电材料时可能出现的电导率低、易老化失效等问题。
附图说明
[0017]图1为β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料原子结构示意图。
[0018]图2为β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料断裂韧性的分析示意图，断裂韧性范围为0.08～0.35MPa
·
m
0.5
。
[0019]图3为β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料的(001)面内杨氏模量分析示意图，范围为20～100GPa。
[0020]图4为β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料滑移能分析示意图，滑移能范围为
[0021]图5为β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料解离能分析示意图，解离能范围为
[0022]图6为β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料在300K下热电优值(ZT)的分析示意图，作为P型热电材
料其热电优值≥0.8，作为N型热电材料其热电优值≥0.1。
[0023]图7为基于β相结构
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料的柔性热电器件的结构示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0025]图1为β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机材料原子结构示意图。所述化合物的化学通式为MX，其中M为ⅢA族原子(M＝Al、Ga、In、Tl中的一种或多种)，X为
Ⅵ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料，其特征在于，化学通式为MX，其中M为ⅢA族原子，X为
Ⅵ
A族原子，M和X按照1:1的原子比例结合形成β相层状结构，材料的断裂韧性范围为0.08～0.35MPa
·
m
0.5
。2.根据权利要求1所述的一种基于β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料，其特征在于，所述β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机柔性材料，结构特征为单胞中包含两个原子层块，每个原子层块由四层原子沿c轴方向按X
‑
M
‑
M
‑
X方式堆叠而成，两个原子层块间为间隙层，其中原子层块内的作用力由M
‑
X共价键和层内M
‑
M共价键组成，间隙层的作用力由相邻两原子层块间M
‑
X原子之间的相互作用组成，该作用包括范德华力和弱共价相互作用。3.根据权利要求1所述的一种基于β相
Ⅲ‑Ⅵ
族化合物的柔性热电材料，其特征在于，所述β相
Ⅲ‑Ⅵ
族无机柔性材料杨氏模量范围为20～100GPa，滑移能范围为解离能范围为作为P型热电材料其热电优值≥0.8，作为N型热电材料其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，欧阳建，王旭东，谭杰苓，张航铭，王疆靖，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：