Energy & Environmental Science在2019年9月刊發(fā)了上海硅酸鹽研究所史迅研究小組的研究成果——基于Ag2S柔性半導(dǎo)體的新型高性能無機(jī)柔性熱電材料（Flexible thermoelectrics:from silver chalcogenides to full-inorganic devices）。該研究開辟了無機(jī)柔性熱電材料研究新方向，為基于高性能無機(jī)材料的全柔性熱電轉(zhuǎn)換新技術(shù)的開發(fā)解決了最起始也是最關(guān)鍵的一個(gè)難點(diǎn)。

新型高性能無機(jī)柔性熱電材料必須同時(shí)兼顧良好的塑性和熱電性能。研究團(tuán)隊(duì)前期研究的無機(jī)柔性半導(dǎo)體材料Ag2S具有非常優(yōu)異的柔性和彎曲性能。但能帶帶隙僅為1.0eV，室溫下電導(dǎo)率和熱電性能極低，對(duì)其本征缺陷的優(yōu)化效果非常微弱。由此，研究團(tuán)隊(duì)通過以Se或Te固溶Ag2S材料，顯著降低Ag間隙離子的缺陷形成，導(dǎo)致Ag間隙離子濃度增加，因而電輸運(yùn)性能獲得明顯改善，功率因子最大可達(dá)約5μW/cm·K2。同時(shí)，固溶Se/Te大幅度降低了材料的能帶間隙，使熱電優(yōu)值的峰值往低溫方向移動(dòng)，在室溫時(shí)熱電優(yōu)值最高為0.44。

Ag2Se和Ag2Te在室溫下均呈現(xiàn)脆性，不具備塑性和柔性。因此，固溶Se或Te會(huì)對(duì)Ag2S的力學(xué)性能產(chǎn)生巨大影響。壓縮試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)等力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)Se或Te的成分在20%～60%區(qū)間時(shí)，材料兼具良好的塑性和熱電性能。研究團(tuán)隊(duì)選取彎曲半徑3mm進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)Ag2S0.5Se0.5薄片經(jīng)歷1000次反復(fù)彎曲后，電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)幾乎未發(fā)生變化，表明材料的性能受應(yīng)力影響較小，可滿足柔性可穿戴供電的要求。

在獲得高性能無機(jī)柔性熱電材料的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)制備了由6對(duì)n型Ag2S0.5Se0.5熱電臂和p型Pt-Rh線構(gòu)成的面內(nèi)型熱電發(fā)電器件。在20K溫差下，最大歸一化功率密度達(dá)到0.08W/m2，比目前最好的純有機(jī)熱電器件高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

基于Ag2S柔性半導(dǎo)體的新型高性能無機(jī)柔性熱電材料和器件可同時(shí)提供優(yōu)異的柔性和熱電轉(zhuǎn)換性能，且具有環(huán)境友好、穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，有望在以分布式、可穿戴式、植入式為代表的新一代智能微納電子系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。