“点阵”科学家制备微点阵热电器件，兼具高韧性和高效能

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来源：DeepTech深科技

作为一种全新的绿色能源来源，热电器件主要利用特殊的热电半导体，并通过温差来实现热能和电能的相互转化。随着近年来高性能的热电材料不断涌现，这类器件拥有巨大的潜力和广阔的应用前景。

不过，在实际应用中，由于热电器件本身需要承受较大的温差载荷，而这会对内部热电材料产生较高的热应力并引起器件结构损坏，因此其并不能长期被可靠地使用。

具体到器件层面来说，主要在结构和材料这两方面存在问题。首先，器件的支撑结构多采用实心结构，热传导过高，限制了功率转换效率。其次，现在的热电材料大多数都很脆，比如碲化铋基合金，容易发生破坏，迫切需要能承受复杂力/热载荷的基体。

为了解决上述问题，近期，来自香港大学、香港城市大学和香港都会大学的联合研究团队，提出一种利用特殊的半碳点阵超材料的设计方法，制造基于微点阵的热电器件，不仅拥有良好的机械性能、高强度和高韧性，还具有很高的功率转换效率。

香港城市大学研究助理瓦西纳坦·卡尔蒂基扬（Vaithinathan Karthikeyan）和博士后詹姆斯·乌塔马·苏贾迪（James Utama Surjadi）为该论文的共同第一作者，香港大学陆洋教授和香港都会大学维拉萨米·A·L·罗伊（Vellaisamy A. L. Roy）教授担任论文的共同通讯作者。

据介绍，陆洋团队主要致力于微纳点阵力学超材料的研究。近年来，他们在该领域发表了多项创新成果，比如高熵合金和中熵合金的微点阵力学超材料设计与制备。此外，为了实现多功能力学超材料的概念，他们对高/中熵合金点阵材料在力学性能之外的其他性能也进行了探索，比如催化性能。

在该项突破之前，该团队发展了一种简便、高效的半碳化技术，将光固化 3D 打印的聚合物结构，通过可控的热解过程，转化成了轻质、高韧且生物兼容的复合碳材料结构。与原本打印完成的聚合物相比，这种结构的强度实现了 100 倍的提升，韧性也提高了 1 倍。相关论文已于 2022 年在 Matter 上发表 [2]。

在此基础上，该团队开始寻求这种复合碳点阵材料在功能领域的应用探索，而本次研究则正是他们进一步针对热电器件方面应用所做的一次“跨界”尝试。

具体来说，他们在轻质、超强韧的三维微构复合碳微点阵超材料的基础上，将部分碳化复合 3D 结构与热电薄膜镀层相结合，充分利用碳材料及其多孔点阵结构所带来的极低的热导率优势，有利于维持温差，进而实现了具有高功率转换效率的热电器件（功率转换效率达 10% 以上）。该 3D 结构的热电微点阵结构，也具有很好的力学性能，特别是复合碳材料带来的高强韧性，比能量吸收约达 30 Jg−1。

“总的来说，这是一次集合了复合材料、制造工艺、三维打印结构、力学和功能性应用交叉等多方优点的全新尝试。”陆洋表示，“论文审稿人也对该研究给出了非常正面的评价，认为我们这次的研究具有概念性创新，展示了一种制造下一代高效能、高可靠性热电器件的全新概念，有望激发未来对能量转换技术的进一步拓展。”

另外，从应用上看，这种基于高强韧微点阵的三维热电器件具有开放的设计空间，可以在多个领域得到广泛应用。比如，将其应用在智能可穿戴设备上，有望实现后者对持续控电的迫切需求。

“制造复合碳点阵三维结构的过程听起来似乎容易，但在实际的热处理过程过程中，任何小的误差都会对结果产生直接影响。比如热解碳化过程，我们最开始尝试了非常多的参数，也对比了各种不同的实验结果，但却一直不能收获理想的结果。后来我的学生詹姆斯才发现，原来是加热炉本身的真空度存在稳定问题。另外如何把热电材料稳固附着上我们的复合碳点阵结构也存在许多技术上的挑战。所以我认为，这项研究能够成功，源于天时地利人和多方面的因素。”陆洋如是说。

图丨左：Matter 论文一作和 Nature Communications 论文共同一作詹姆斯·乌塔马·苏贾迪（James Utama Surjadi）博士; 右：陆洋（来源：陆洋）

据了解，针对这项研究后续，该团队计划未来基于高强、高韧性的多种不同材质的微点阵超材料，继续探索更多的可能性，不仅是纯力学性能，还包括生物兼容性、热电属性和光学属性等。同时，其也会在结构设计上进行进一步的探索和尝试，比如引入极小曲面和多级结构等。此外，在热电属性方面，他们也打算与合作者们将先进材料设计方法，引入到真正的大规模热电器件中，以助推实现产品化。

参考资料：

1. Karthikeyan, V., Surjadi, J.U., Li, X. et al. Three dimensional architected thermoelectric devices with high toughness and power conversion efficiency. Nature Communications 14, 2069 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37707-2

2.Surjadi, J.U. et al. Lightweight, ultra-tough, 3D-architected hybrid carbon microlattices. Matter 5，11，4029-4046 (2022). https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.08.010

排版：朵克斯

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