熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點，熱電材料在很多領域有著重要的作用。在能源危機趨于嚴重的今天，進行新型熱電材料的研究具有很強的現(xiàn)實意義。熱電材料薄膜不僅能夠通過低維結構調(diào)控其熱電特性，且能與目前的微半導體器件工藝兼容，具有廣泛的應用前景。
通常而言，熱電材料的應用主要通過熱電器件來實現(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，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，并探索其相關物理機制。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構的薄膜熱電發(fā)電器(薄膜溫差電池)。
薄膜熱電發(fā)電器結構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)結構的薄膜溫差電池更容易實現(xiàn)，為高性能熱電薄膜的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)奠定了堅實的基礎。而采用此結構在柔性襯底上進一步開發(fā)，則可得到具有更廣泛應用領域的柔性薄膜溫差電池，制備出轉換效率達12.3%的單體電池與轉換效率大于10%的電池組。這種熱電發(fā)電設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、耗材少、制作成本低，符合工業(yè)生產(chǎn)的需要，在各領域均具有廣闊的應用前景。
熱電薄膜材料不但可以制作成薄膜溫差電池，同時還可以制作成各種探頭以及系數(shù)測試儀，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的用途：
在測量冶煉及熱處理爐高溫的過程中，對于溫度傳感器的超小體積、超快速測量、特殊測試環(huán)境及特殊安裝方式的應用需求越來越迫切。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線之間的連接工藝兩大技術難題，新探頭具有優(yōu)越的響應特性和應用靈活性，滿足新型集成式應用需求。
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)廣泛應用的激光功率測試設備是熱電材料較為常見的應用場景，但傳統(tǒng)結構熱電式激光功率測試探頭的體積大與應用靈活性差也是困擾技術發(fā)展的一大問題。針對這一難題，我們開發(fā)擁有自主專利技術結構，熱電堆方向與激光方向相平行的新型熱電激光功率測試探頭，核心性能參數(shù)均達到了國際先進水平，而體積僅為傳統(tǒng)結構功率探頭的十五分之一，滿足工業(yè)自動化的小體積集成需求。目前為止研發(fā)的激光功率計涵蓋所有波長激光，測試功率可從0.1毫瓦至6千瓦。
熱電材料是利用固體內(nèi)部載流子運動實現(xiàn)熱能和電能直接轉換，在這個熱能和電能轉換過程中，對熱電性質(zhì)的測試是非常關鍵的一個環(huán)節(jié)。我們課題組通過自主設計，成功開發(fā)出了一款可同時滿足熱電薄膜及塊體材料測試的“Seebeck系數(shù)測試儀”。測試樣機采用了分離式探針結構，保證了各個參量測量的準確性;還采用了雙重加熱模式，可極大減少溫度穩(wěn)定時間，提高測量效率。該儀器也具備了測量熱電薄膜器件輸出特性的模塊，實現(xiàn)了薄膜材料到器件測量的一體化集成，填補了國內(nèi)的技術空白。其測量精度可與市場現(xiàn)有設備相比肩，但制造價格僅為同款設備的一半，具有廣闊的市場前景。
熱電材料薄膜具有廣泛的應用領域與市場前景，我們將繼續(xù)深耕這一研究領域，重視材料與理論的研究，同時開發(fā)出更多適用于產(chǎn)業(yè)化的熱電薄膜器件。
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