四川大学昂然/孙强：在多种不同应用场景中表现优异的固态热电传感元器件

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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上发表了题目为“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。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请昂然研究员代表研究团队进行了专访，请他为大家做进一步的深入解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

昂然研究员：

传统的固态Mg3(Sb, Bi)2基热电研究主要集中于优化热电性能及提升发电和制冷效率，而对其他领域的潜在应用研究较少，这在很大程度上限制了热电材料的发展空间。本研究通过间隙Co掺杂，大幅提升了Mg3(Sb, Bi)2基材料的热电性能，并获得了优异的机械性能。在此基础上，设计开发了一种Mg3(Sb, Bi)2基固态热电传感元器件，首次展示了其在多个传感应用场景中的出色表现。该研究为固态热电传感提供了新思路，并拓宽了热电材料的应用范围。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

昂然研究员：

本研究过程中遇到了两个主要困难：（1）间隙Co原子的表征。由于Mg3(Sb, Bi)2基材料的晶体结构较为复杂，为了更准确地证实间隙原子的存在，研究团队结合多次模拟分析、选取不同的晶轴方向，并对多个样品进行了制备和表征，才最终较好地确认了间隙Co原子的存在。（2）固态热电传感元器件的设计和测试。为了获得稳定且准确的热电传感输出数据，研究团队对传感元器件的设计进行了多次调整和优化，最终成功实现了在多种应用场景下的稳定信号采集。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

昂然研究员：

基于本研究，我们设想通过选取不同热电性能和不同热电材料，进一步探讨热电性能、各项热电各参数与传感响应速度、响应强度等参数之间的内在关联。这将面临挑战和困难，需要大量的研究和分析，以建立固态热电材料与传感器相关参数之间的联系。未来，我们计划以此研究为基础，将传统热电材料和技术与更多交叉学科领域进行结合，以拓宽热电材料和技术的应用范围。

CellPress：

最后，请您与我们分享一下选择Device的原因。

昂然研究员：

Device是Cell Press细胞出版社旗下的旗舰期刊，与Cell，Chem，Joule和Matter是姊妹刊。该期刊主要发表在物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。期刊的目标是促进科研领域的创新整合与交叉融合，研发出具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。我们的研究工作基于传统热电材料在固态传感领域的交叉应用，设计并展示了传统热电材料在固态热电传感中的优异性能和巨大潜力，非常符合Device期刊的定位和范围。我们相信Device能够提升本工作的影响力，并在未来展现出巨大的竞争力，因此我们选择了该期刊。

作者介绍昂然

研究员

通讯作者：昂然，四川大学原子核科学技术研究所研究员，博士生导师。主持国家重点研发计划重点专项课题、国家自然科学基金等国家和省部级基金项目。主要从事热电能量转换材料与器件、材料物理与化学等交叉学科领域的研究。目前担任中国材料研究学会热电材料及应用分会理事，并在Nat. Commun., Device, Angew. Chem. Int. Edit., Phys. Rev. Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊上发表SCI论文160余篇。受邀撰写4篇英文热电综述论文及1个英文热电专著章节，并授权国内热电发明专利10余项。曾担任Advances in Condensed Matter Physics、Chinese Physics Letters、Chinese Physics B、Acta Physica Sinica、Physics等多种SCI期刊的客座主编与青年编委，曾荣获“四川省学术和技术带头人”、“四川省有突出贡献的优秀专家”、“四川省高层次人才特聘专家”、“四川省青年科技奖”等多个奖项和荣誉称号。

孙强

研究员

通讯作者：孙强，博士，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，四川省海外高层次人才。主要从事柔性电子材料、创面敷料、纳米药物等领域的研究。以通讯作者或第一作者身份在Device, Adv. Energy Mater., Int. J. Oral Sci., Small, Chin. Chem. Lett., 等期刊发表SCI论文20余篇。

田邦州

博士研究生

第一作者：田邦州，四川大学原子核科学技术研究所在读博士，目前在昂然研究员课题组从事Mg3(Sb, Bi)2基热电材料相关研究，以第一作者在Device等期刊发表SCI论文5篇。

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研究成果发表于在Cell Press

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