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  熱電材料能夠?qū)h(huán)境中的熱能轉(zhuǎn)化為電能，在可穿戴、便攜式、植入式電子產(chǎn)品領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)的熱電材料本身固有的剛性、高成本、加工性差等缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，有機(jī)熱電材料由于其靈活性和兼容性，在可穿戴智能電子設(shè)備、功能性人工皮膚和軟機(jī)器人等方面的應(yīng)用研究增多�？纱┐髌骷仍谄骷c人體組織界面舒適性及機(jī)械自由度等方面的高要求，對(duì)熱電材料的可拉伸性提出了更高的要求。

  近日，東華大學(xué)覃小紅教授、王黎明研究員和深圳大學(xué)陳光明教授等人在《Advanced Functional Materials》發(fā)表了題為“Stretchable thermoelectrics: strategies, performances and applications”的綜述文章。此篇綜述就可拉伸熱電材料和器件在材料和結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)、性能、應(yīng)用和未來(lái)挑戰(zhàn)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的論述和展望，對(duì)未來(lái)自供電可穿戴電子器件的研究提供了方向。文章第一作者是東華大學(xué)紡織學(xué)院博士生郝云娜。

可拉伸熱電材料與器件的設(shè)計(jì)方法

1. 通過(guò)材料復(fù)合制備可拉伸熱電材料及器件

  近十年來(lái)，有機(jī)熱電材料因其柔韌性和一定的可拉伸性而引起了研究者的關(guān)注。因此，通過(guò)材料組成設(shè)計(jì)尋求和發(fā)展可拉伸熱電材料主要集中在有機(jī)熱電材料及其復(fù)合材料上，并從分子結(jié)構(gòu)、材料混合和附加襯底三個(gè)方面系統(tǒng)地總結(jié)了三種可拉伸熱電材料的制備方法。

2. 通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備可拉伸熱電材料及器件

  除了材料復(fù)合設(shè)計(jì)，器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是一種有效的方法。即使是剛性無(wú)機(jī)熱電材料也能通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可拉伸性能。結(jié)合宏觀和微觀尺度上的結(jié)構(gòu)變化，將通過(guò)應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)來(lái)提高拉伸性能的各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為折紙結(jié)構(gòu)、皺折結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)、紡織品集成結(jié)構(gòu)和島橋結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了可拉伸熱電材料復(fù)雜的設(shè)計(jì)，有利于可拉伸熱電器件的規(guī)�；圃臁�

3. 可拉伸熱電系統(tǒng)的集成與應(yīng)用

  近年來(lái)，基于熱電的自供電傳感器因其成本低、制造工藝簡(jiǎn)單、熱源便利等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。它們?cè)诳纱┐麟娮赢a(chǎn)品、電子皮膚、柔性機(jī)器人以及一些監(jiān)控溫度、運(yùn)動(dòng)和生理活動(dòng)的場(chǎng)景中顯示出巨大的潛力。目前對(duì)熱電自供能傳感器的研究不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同應(yīng)變、方向、角度的識(shí)別，在多參數(shù)傳感器的功能實(shí)現(xiàn)和參數(shù)解耦也達(dá)到了一定的水平。

可拉伸熱電系統(tǒng)的集成與傳感應(yīng)用

4. 未來(lái)展望

  隨著重點(diǎn)研究的深入，高彈性熱電電子學(xué)將更適合于穿戴等應(yīng)用領(lǐng)域并取得巨大突破，同時(shí)，可拉伸熱電材料仍然面臨挑戰(zhàn)。

  （1）對(duì)于分子結(jié)構(gòu)工程和彈性體共混的方法，復(fù)雜的材料體系使其難以規(guī)模化生產(chǎn)，對(duì)人體的安全性存在不確定性；在彈性體的加持下，熱電材料很難具有透氣性、超薄性和柔軟性；復(fù)雜的工藝和結(jié)構(gòu)改變阻礙了其舒適性、透氣性、生物組織的一致性以及與紡織品的結(jié)合。

  （2）基于熱電的自供電應(yīng)變傳感器的靈敏度有待提高，以實(shí)現(xiàn)更精確的監(jiān)測(cè)。同時(shí)，對(duì)傳感器的3D立體識(shí)別要求也越來(lái)越高。

  （3）在可穿戴的熱電器件中，對(duì)連續(xù)的熱電壓輸出要求較高。同時(shí)，在惡劣條件下的穩(wěn)定熱電性能也需要進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)和研究。

  （4）開(kāi)發(fā)更多的擴(kuò)展功能，如制冷是另一個(gè)潛在的挑戰(zhàn)。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109790