研究所单晶热电纤维研究取得新进展

来源：中科院工程热物理研究所

单晶材料由于其优越的机械稳定性、低光学损耗和优良的导电性能，在高性能光学和半导体工业中应用广泛。譬如具有优良热电性能的SnSe单晶材料，能够实现热能与电能的相互转化，在温差发电和热电制冷领域有着巨大的应用前景。然而传统的单晶生长方法由于生长速度慢、制造条件严格、加工成本高等因素，限制了单晶SnSe材料的大规模产业化应用。

近日，工程热物理研究所储能研发中心联合新加坡南洋理工大学、美国康奈尔大学和北京航空航天大学等研究团队报道了一种新型的基于纤维热拉法和激光重结晶效应的单晶SnSe热电纤维制造技术，突破了高品质单晶柔性热电纤维的制备困难，实现了纤维单晶材料的大规模生长，为研发复杂而高效的热电单晶纤维及其织物提供了新思路。研究人员称未来柔性可穿戴热电纤维与织物可以方便地从体热中收集能量，利用人体与外界环境的温度差为小功率可穿戴电子设备供电；也可以用来热电制冷控温，维护人体温度的舒适性。

图一：基于纤维热拉法和激光重结晶效应的柔性单晶SnSe热电纤维制造技术

整个联合团队通过紧密合作，展示了一种通用可行的基于激光热效应的再结晶方法，可制造从微米到纳米尺度直径的超长SnSe单晶纤维。实验证明了SnSe单晶体，除常见的Pnma和Cmcm相外，还存在稳定的单晶岩盐Fm-3m相。在862 K时, Fm-3m相的单晶SnSe纤维的ZT值高达2，远大于多晶SnSe纤维的ZT值，与Cmcm相的单晶SnSe相当。并且首次制备了具有高密度p型和n型SnSe微/纳米线阵列的单根热电纤维，实现了纤维内柔性热电器件的PN结构。为大面积、轻质、透气、高性能的柔性可穿戴热电织物器件提供了新途径，展示了单晶热电纤维织物利用人体与环境的温差持续发电的概念性演示。

图二：柔性单晶SnSe热电纤维性能与纤维内PN热电材料多核制备。

该研究受到了中国科学院人才计划（No. E0290706）和国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心项目（No.51888103）的支持，相关成果近日发表于国际顶级材料类学术期刊Advanced Materials （影响因子27.398），并被选为Frontispiece。（Single-Crystal SnSe Thermoelectric Fibers via Laser-Induced Directional Crystallization: From 1D Fibers to Multidimensional Fabrics. Adv. Mater. 2020, 2002702.）。