摘要：近日，天津工业大学纺织科学与工程学院谭明教授团队在Nature子刊《自然-通讯》（Nature Communications）以“Enabling ultra-flexible inorganic thin-film-based thermoelectric

近日，天津工业大学纺织科学与工程学院谭明教授团队在Nature子刊《自然-通讯》（Nature Communications）以“Enabling ultra-flexible inorganic thin-film-based thermoelectric devices by introducing nanoscale titanium layers”为题，发表了关于超柔性高热电性能的膜材料器件的创新研究成果。天津工业大学纺织科学与工程学院为第一完成单位，谭明教授为第一作者。

热电材料和器件可以实现热能与电能的相互转换，在废热回收、特殊电源、固态制冷、热管理系统、生命健康及可穿戴传感器等诸多领域展现出广阔的应用前景。近年来，基于无机材料的柔性器件发展迅速，但刚性材料与柔性基底和电极之间的界面问题，依然制约着这些器件的柔性与应用范围。谭明教授团队通过巧妙的界面设计，成功攻克这一难题。他们在PI基板与Cu电极之间引入约10nm厚的Ti接触层，以及在Cu电极与热电薄膜之间加入约10nm厚的Ti阻挡层，这一创新举措显著增强了界面的结合力，大幅减少了接触电阻，从而显著提升了器件的柔性与热电输出性能。162对p/n薄膜器件在弯曲半径r为10mm时，经过超过100次循环弯曲后，电阻变化率（ΔR/R₀）仅为3.3%；在仅有5K温差条件下，实现了108μWcm⁻²的高功率密度，标准化功率密度超过4μWcm⁻²K⁻²；当器件连接到50°C不规则热源时，三个串联连接的器件能够产生1.85V的电压，成功驱动一个发光二极管（LED），无需任何额外的散热器或升压器。

图1(a)柔性器件制备过程；(b)p-Bi₀.₅Sb₁.₅Te₃和n-Bi₂Te₂.₇Se₀.₃热电薄膜性能的理论与实验值比较；(c)文献报道与本工作的标准化发电功率密度对比，其中插图为三个串联连接的器件贴在约50°C不规则热源时的应用，充分展示了其卓越的发电性能。

该研究通过磁控溅射沉积方法、掩模辅助沉积技术以及倒装芯片键合技术，成功制备出性能优异的p型BST和n型BTS热电薄膜与162对p/n柔性热电器件。这些薄膜室温ZT值分别达到了1.39和1.44，首次实现了柔性器件无需额外散热器或升压器即可直接驱动LED发光。这一超高的器件性能得益于PI基板/Ti接触层/Cu电极/Ti阻挡层/热电薄膜的独特界面设计。超薄纳米Ti层为PI基板、Cu电极及热电薄膜之间的键合提供了更多的有效键。此外，通过球差电镜观察发现，Ti接触层处的晶格存在梯度特征，这一特征表明Cu和PI之间的结合是逐渐发生的，没有明显的界面，从而使得Cu电极与PI基底之间形成了非常紧密的结合。这项工作极大地拓展了柔性热电器件的应用场景。

图2(a,b)PI/Ti-2/Cu/Ti-1/BST断面的Cs-STEM-HAADF和相应EDS图；(c)局部PI/Ti-2/Cu放大的EDS图；(d,e) PI/Ti-2/Cu/Ti-1/BTS断面的Cs-STEM-HAADF和相应EDS图；(f)局部PI/Ti-2/Cu放大的EDS图；(g)PI/Ti-2/Cu/Ti-1/BST样品中PI/Ti-2/Cu的高分辨 Cs-STEM-BF图；(h-i) PI/Ti-2/Cu/Ti-1/BTS样品中PI/Ti-2/Cu的高分辨 Cs-STEM BF和HAADF图

本研究得到了国家自然科学基金项目、天津市自然科学基金重点项目及天津工业大学科研启动经费等支持。

来源：林少涵说科学