中科院工程熱物理所等機構(gòu)研發(fā)新型單晶SnSe熱電纖維制造技術(shù)

單晶材料具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性、低光學損耗和優(yōu)良的導電性能，在高性能光學和半導體工業(yè)中應用廣泛。如具有優(yōu)良熱電性能的SnSe單晶材料，能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與電能的相互轉(zhuǎn)化，在溫差發(fā)電和熱電制冷領(lǐng)域有廣闊的應用前景。然而，由于傳統(tǒng)的單晶生長方法生長速度慢、制造條件嚴格、加工成本高等因素，限制單晶SnSe材料的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用。

中國科學院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心聯(lián)合新加坡南洋理工大學、美國康奈爾大學和北京航空航天大學等，報道了一種新型的基于纖維熱拉法和激光重結(jié)晶效應的單晶SnSe熱電纖維制造技術(shù)，克服高品質(zhì)單晶柔性熱電纖維的制備困難，實現(xiàn)纖維單晶材料的大規(guī)模生長，為研發(fā)復雜而高效的熱電單晶纖維及其織物提供了新思路。研究人員表示，未來柔性可穿戴熱電纖維與織物可以從體熱中收集能量，利用人體與外界環(huán)境的溫度差為小功率可穿戴電子設備供電;可以用來熱電制冷控溫，維護人體溫度的舒適性。

該團隊展示了一種通用可行的基于激光熱效應的再結(jié)晶方法，可制造從微米到納米尺度直徑的超長SnSe單晶纖維。實驗證明SnSe單晶體，除常見的Pnma和Cmcm相外，存在穩(wěn)定的單晶巖鹽Fm-3m相。在862K時, Fm-3m相的單晶SnSe纖維的ZT值高達2，遠大于多晶SnSe纖維的ZT值，與Cmcm相的單晶SnSe相當。研究人員制備了具有高密度p型和n型SnSe微/納米線陣列的單根熱電纖維，實現(xiàn)了纖維內(nèi)柔性熱電器件的PN結(jié)構(gòu)，為大面積、輕質(zhì)、透氣、高性能的柔性可穿戴熱電織物器件提供了新途徑，展示了單晶熱電纖維織物利用人體與環(huán)境的溫差持續(xù)發(fā)電的概念性演示。

圖1 基于纖維熱拉法和激光重結(jié)晶效應的柔性單晶SnSe熱電纖維制造技術(shù)

圖2 柔性單晶SnSe熱電纖維性能與纖維內(nèi)PN熱電材料多核制備

研究工作受到中科院人才計劃和國家自然科學基金“能源有序轉(zhuǎn)化”基礎科學中心項目的支持，相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Advanced Materials上。