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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)品領域有廣闊的應用前景。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，嚴重阻礙了其實際應用。近年來，有機熱電材料由于其靈活性和兼容性，在可穿戴智能電子設備、功能性人工皮膚和軟機器人等方面的應用研究增多。可穿戴器件等在器件與人體組織界面舒適性及機械自由度等方面的高要求，對熱電材料的可拉伸性提出了更高的要求。

  近日，東華大學覃小紅教授、王黎明研究員和深圳大學陳光明教授等人在《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)方面的設計、性能、應用和未來挑戰(zhàn)等方面進行了系統(tǒng)的論述和展望，對未來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紡織學院博士生郝云娜。

可拉伸熱電材料與器件的設計方法

1. 通過材料復合制備可拉伸熱電材料及器件

  近十年來，有機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注。因此，通過材料組成設計尋求和發(fā)展可拉伸熱電材料主要集中在有機熱電材料及其復合材料上，并從分子結(jié)構(gòu)、材料混合和附加襯底三個方面系統(tǒng)地總結(jié)了三種可拉伸熱電材料的制備方法。

2. 通過結(jié)構(gòu)設計制備可拉伸熱電材料及器件

  除了材料復合設計，器件的結(jié)構(gòu)設計也是一種有效的方法。即使是剛性無機熱電材料也能通過結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)可拉伸性能。結(jié)合宏觀和微觀尺度上的結(jié)構(gòu)變化，將通過應變設計來提高拉伸性能的各種結(jié)構(gòu)設計分為折紙結(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)設計避免了可拉伸熱電材料復雜的設計，有利于可拉伸熱電器件的規(guī)模化制造。

3. 可拉伸熱電系統(tǒng)的集成與應用

  近年來，基于熱電的自供電傳感器因其成本低、制造工藝簡單、熱源便利等優(yōu)點而受到廣泛關注。它們在可穿戴電子產(chǎn)品、電子皮膚、柔性機器人以及一些監(jiān)控溫度、運動和生理活動的場景中顯示出巨大的潛力。目前對熱電自供能傳感器的研究不僅實現(xiàn)了對不同應變、方向、角度的識別，在多參數(shù)傳感器的功能實現(xiàn)和參數(shù)解耦也達到了一定的水平。

可拉伸熱電系統(tǒng)的集成與傳感應用

4. 未來展望

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

  （1）對于分子結(jié)構(gòu)工程和彈性體共混的方法，復雜的材料體系使其難以規(guī)模化生產(chǎn)，對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變傳感器的靈敏度有待提高，以實現(xiàn)更精確的監(jiān)測。同時，對傳感器的3D立體識別要求也越來越高。

  （3）在可穿戴的熱電器件中，對連續(xù)的熱電壓輸出要求較高。同時，在惡劣條件下的穩(wěn)定熱電性能也需要進一步強調(diào)和研究。

  （4）開發(fā)更多的擴展功能，如制冷是另一個潛在的挑戰(zhàn)。

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