熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，熱電材料在很多領(lǐng)域有著重要的作用。在能源危機(jī)趨于嚴(yán)重的今天，進(jìn)行新型熱電材料的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。熱電材料薄膜不僅能夠通過低維結(jié)構(gòu)調(diào)控其熱電特性，且能與目前的微半導(dǎo)體器件工藝兼容，具有廣泛的應(yīng)用前景。
通常而言，熱電材料的應(yīng)用主要通過熱電器件來實(shí)現(xiàn)。我和課題組自2009年開始采用具有產(chǎn)業(yè)化特性的物理氣相沉積技術(shù)，研發(fā)傳統(tǒng)Bi-Sb-Te體系及新型Zn-Sb、Co-Sb等體系的熱電薄膜，并探索其相關(guān)物理機(jī)制。經(jīng)過近十年的不懈探索，最終研制成功一種新型雙面膜結(jié)構(gòu)的薄膜熱電發(fā)電器(薄膜溫差電池)。
薄膜熱電發(fā)電器結(jié)構(gòu)不管在電極的制備連接上，還是在器件的封裝上，都較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的薄膜溫差電池更容易實(shí)現(xiàn)，為高性能熱電薄膜的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而采用此結(jié)構(gòu)在柔性襯底上進(jìn)一步開發(fā)，則可得到具有更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的柔性薄膜溫差電池，制備出轉(zhuǎn)換效率達(dá)12.3%的單體電池與轉(zhuǎn)換效率大于10%的電池組。這種熱電發(fā)電設(shè)備不僅能在低溫差的條件下提供足夠高的電壓，而且壽命長(zhǎng)、耗材少、制作成本低，符合工業(yè)生產(chǎn)的需要，在各領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。
熱電薄膜材料不但可以制作成薄膜溫差電池，同時(shí)還可以制作成各種探頭以及系數(shù)測(cè)試儀，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的用途：
在測(cè)量冶煉及熱處理爐高溫的過程中，對(duì)于溫度傳感器的超小體積、超快速測(cè)量、特殊測(cè)試環(huán)境及特殊安裝方式的應(yīng)用需求越來越迫切。然而，傳統(tǒng)的溫度傳感器都存在體積大、耗材多、熱容量大與響應(yīng)速度慢等問題。我們創(chuàng)新性地采用超薄又柔軟的基底材料和薄膜化的熱電極材料，便克服了薄膜熱電極材料在高溫下易氧化及薄膜熱電極與輸出導(dǎo)線之間的連接工藝兩大技術(shù)難題，新探頭具有優(yōu)越的響應(yīng)特性和應(yīng)用靈活性，滿足新型集成式應(yīng)用需求。
工業(yè)生產(chǎn)中激光焊接、激光切割、激光打孔等等這些環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用的激光功率測(cè)試設(shè)備是熱電材料較為常見的應(yīng)用場(chǎng)景，但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱電式激光功率測(cè)試探頭的體積大與應(yīng)用靈活性差也是困擾技術(shù)發(fā)展的一大問題。針對(duì)這一難題，我們開發(fā)擁有自主專利技術(shù)結(jié)構(gòu)，熱電堆方向與激光方向相平行的新型熱電激光功率測(cè)試探頭，核心性能參數(shù)均達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，而體積僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)功率探頭的十五分之一，滿足工業(yè)自動(dòng)化的小體積集成需求。目前為止研發(fā)的激光功率計(jì)涵蓋所有波長(zhǎng)激光，測(cè)試功率可從0.1毫瓦至6千瓦。
熱電材料是利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換，在這個(gè)熱能和電能轉(zhuǎn)換過程中，對(duì)熱電性質(zhì)的測(cè)試是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。我們課題組通過自主設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出了一款可同時(shí)滿足熱電薄膜及塊體材料測(cè)試的“Seebeck系數(shù)測(cè)試儀”。測(cè)試樣機(jī)采用了分離式探針結(jié)構(gòu)，保證了各個(gè)參量測(cè)量的準(zhǔn)確性;還采用了雙重加熱模式，可極大減少溫度穩(wěn)定時(shí)間，提高測(cè)量效率。該儀器也具備了測(cè)量熱電薄膜器件輸出特性的模塊，實(shí)現(xiàn)了薄膜材料到器件測(cè)量的一體化集成，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的技術(shù)空白。其測(cè)量精度可與市場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備相比肩，但制造價(jià)格僅為同款設(shè)備的一半，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
熱電材料薄膜具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域與市場(chǎng)前景，我們將繼續(xù)深耕這一研究領(lǐng)域，重視材料與理論的研究，同時(shí)開發(fā)出更多適用于產(chǎn)業(yè)化的熱電薄膜器件。
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