一種新型的基于纖維熱拉法和激光重結(jié)晶效應(yīng)的單晶SnSe熱電纖維制造技術(shù)

單晶材料具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性、低光學(xué)損耗和優(yōu)良的導(dǎo)電性能，在高性能光學(xué)和半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)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(yīng)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(yán)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(yīng)用。

中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)、美國康奈爾大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等，報(bào)道了一種新型的基于纖維熱拉法和激光重結(jié)晶效應(yīng)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(shí)現(xiàn)纖維單晶材料的大規(guī)模生長，為研發(fā)復(fù)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(shè)備供電；可以用來熱電制冷控溫，維護(hù)人體溫度的舒適性。

該團(tuán)隊(duì)展示了一種通用可行的基于激光熱效應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shí), Fm-3m相的單晶SnSe纖維的ZT值高達(dá)2，遠(yuǎn)大于多晶SnSe纖維的ZT值，與Cmcm相的單晶SnSe相當(dāng)。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(shí)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(yīng)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(jì)劃和國家自然科學(xué)基金“能源有序轉(zhuǎn)化”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目的支持，相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Advanced Materials上。