四川大学研究团队开发新型固态热电传感元器件，展现优异传感性能
四川大学研究团队开发新型固态热电传感元器件，展现优异传感性能
四川大学研究团队在固态热电传感领域取得重要突破。通过间隙掺杂Co策略，研究人员显著提升了Mg3(Sb, Bi)2基材料的热电性能，并开发出一种新型固态热电传感元器件。该器件在呼吸监测、触觉感知、远程检测和液体识别等多个应用场景中展现出优异的传感性能。
9月10日，四川大学原子核科学技术研究所研究员昂然、四川大学华西口腔医学院/口腔疾病防治全国重点实验室特聘研究员孙强在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Multifunctional durable solid-state thermoelectric sensor enabled by interstitial Co doping in Mg3(Sb, Bi)2”的文章。研究人员通过间隙掺杂Co策略，显著提升了Mg3(Sb, Bi)2基材料的电学输运性能，并设计了一种热电固体传感元器件。该研究为前沿跨学科研究提供了新的思路，并开辟了更多应用的可能性。
研究亮点
- 通过间隙Co掺杂策略，显著提升了Mg3(Sb, Bi)2基材料的电学输运性能，在483 K时实现了~27.3 μW cm−1 K−2的功率因子。
- Mg3(Sb, Bi)2基材料展现出
400 MPa的高抗压强度和25%的应变能力，确保了器件的开发与应用。 - 基于Mg3.19Co0.01Sb0.5Bi1.49Te0.01开发的固态热电传感元器件，在多种不同应用场景中表现出优异的传感能力。
研究简介
Mg3(Sb, Bi)2基热电材料因其原料丰富、机械性能优异，以及在低温区域表现出卓越的热电性能而备受关注。目前，该材料在发电和制冷领域已经取得了显著进展。然而，其在固态传感应用方面的研究仍然较为稀缺。探索适用于传感的固态热电材料，不仅有助于促进其与更多跨学科领域的融合，还能拓展传统固态热电材料的应用边界，发掘出更多潜在的应用可能性。图1展示了Mg3(Sb, Bi)2材料的发展历程、未来前景，以及本研究中基于Mg3(Sb, Bi)2开发的热电传感元器件的设计和工作原理示意图。
图1：Mg3(Sb, Bi)2基热电材料的发展历程及其热电传感元器件的设计原理示意图。
本研究采用间隙Co掺杂策略提升了Mg3.2-xCoxSb0.5Bi1.49Te0.01在低温区的热电性能。通过高分辨微观结构表征，作者观察到材料中晶粒间及晶粒内部的Co单质析出颗粒。选取特定的晶轴观测方向，进一步证实了间隙Co原子的存在（如图2所示）。此外，晶粒之间的错排界面显示出较强的应力畸变区域，这些缺陷有助于提高声子的散射，从而优化材料的热电性能。
图2：Mg3.19Co0.01Sb0.5Bi1.49Te0.01的微观结构表征。
间隙Co掺杂后材料的热电性能测试结果如图3所示。间隙Co的掺杂提高了材料的载流子迁移率，从而显著改善了其电导率。同时，载流子有效质量未受影响，使得功率因子大幅提升，Mg3.19Co0.01Sb0.5Bi1.49Te0.01在483 K时的功率因子达到27.3 μW cm−1 K−2。此外，多尺度缺陷有效降低了材料的晶格热导率，最终在513 K时实现了1.2的热电优值。基于这些特性，作者设计出一种适用于低品位温度监测的多级温差发电装置。串联的热电器件能够对监测设备产生的温度场生成实时且敏感的电压信号，从而实现远程温度评估，并降低火灾发生的概率。
图3：Mg3.2-xCoxSb0.5Bi1.49Te0.01的热电性能及多级温差发电用于温度监测。
晶粒内部和界面处弥散分布的Co析出相同样提升了材料的机械性能，如图4所示。材料的显微硬度和抗压强度均显著优于大多数传统的近室温热电材料。尽管过多的Co析出相可能在一定程度上加速微裂纹的形成，材料仍然具备400 MPa的高抗压强度和25%的应变能力，足以满足大多数器件的加工和使用需求。
图4：Mg3.2-xCoxSb0.5Bi1.49Te0.01的机械性能及断裂机制分析。
高质量的固态传感器件需要具备快速响应、迅速恢复以及强大的响应强度。基于热电Seebeck效应以及本研究中Mg3.19Co0.01Sb0.5Bi1.49Te0.01表现出的高热电性能和优异的机械强度，作者探索了其在室温附近固态传感中的应用。针对实际应用需求，作者测试并分析了该固态传感元器件在呼吸监测、手指触摸、热辐射、红外激光照射以及液体接触刺激下的输出电压响应。结果表明，该传感器具备快速响应、强输出信号以及对热源的线性相关输出等优异的热电传感性能。
图5：基于Mg3.19Co0.01Sb0.5Bi1.49Te0.01设计的固态热电传感器件的应用。
总结
作者通过间隙掺杂Co策略，显著提升了Mg3(Sb, Bi)2基材料的热电性能和机械强度，并在呼吸监测、触觉感知、远程检测和液体识别等领域展现出优异的热电传感性能。这不仅拓宽了热电材料的多功能性和应用范围，也展示了其在固态热电传感领域的潜在能力。该研究为前沿跨学科研究提供了新的思路，并开辟了更多应用的可能性。
本文原文来自澎湃新闻