上海大学研制出兼具优异柔性和热电性能的无机非晶材料

传统的无机晶体热电材料虽然具有优异的热电性能，但是塑性和可加工性差。本文发现了迄今为止首个不仅具有优异塑性变形性能，而且具有优良电输运性能和热电性能的无机非晶材料，同时该新材料尚具有巨大的性能优化空间，对热电材料、非晶材料乃至半导体材料领域都具有重要科学意义。

热电材料由于能够通过内部载流子的运动实现热能和电能之间的直接相互转换，在温差发电和热电制冷方面具有实用价值，因而受到了广泛的关注。传统的无机晶体热电材料（如Bi2Te3，GeTe和PbTe等）虽然具有优异的热电性能，但是由于晶体结构中较强的离子键和/或共价键，通常表现出较差的机械性能，特别是塑性和可加工性差，在弯曲、拉伸和压缩应力下易于断裂导致器件损坏，限制了热电材料的实际应用。近年来可穿戴式设备、微型芯片等的迅猛发展，迫切需要基于热电转换技术的自供电电池和微型制冷器件等，同时这也对热电材料的机械性能提出了更高的要求。

上海大学材料学院骆军教授对Ag2Te基热电材料进行了持续深入研究，最近指导硕士生何世洋、李永博发现了一种兼具优异柔性和热电性能的无机非晶热电材料Ag2(Te,S)。相关研究结果发表在Science Advances，上海大学为第一单位，上海大学材料科学与工程学院硕士生何世洋和李永博为共同第一作者，上海大学骆军教授、南方科技大学张文清教授和美国麻省理工学院陈刚教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/15/eaaz8423

研究表明，Ag2(Te,S)基体为非晶，少量微晶均匀分散在非晶基体中。该材料不仅具有优异的拉伸、压缩和弯曲等塑性变形性能，而且具有优良的电输运性能和热电性能。Ag2(Te,S)优异的形变性能和可加工性能主要来源于非晶剪切带，而优异的电输运性能则归因于其超高的载流子迁移率。特别是该非晶材料展现出非同寻常的电性能，室温载流子浓度高达8.6×1018cm-3，霍尔迁移率达到750cm2·V-1·s-1，功率因子高达5.7×10-4W·m-1·K-2，显著优于常规非晶材料。其中霍尔迁移率比已发现的非晶材料高出两个数量级，功率因子至少高一个数量级。

Ag2Te0.6S0.4的结构与性能：（a）少量微晶均匀分散在非晶基体中；（b）弯曲性能；（c）载流子迁移率；（d）无量纲热电优值。

同时，由于该材料自身的结构无序特征，导致极低的晶格热导率，因而展现出优异的热电性能。该材料的室温无量纲热电优值达到0.22，300oC时接近0.70。利用该材料制备的单臂面内柔性器件在50K温差下，输出功率可达3.47×10-6W，输出功率密度达2.9W·m-2，优于绝大多数现有的柔性热电器件。考虑到该新材料尚具有巨大的性能优化空间，可望在柔性热电器件、传感器、甚至更多领域具有重要应用价值。

Ag2(Te,S)是迄今为止发现的首个具有优异柔性和热电性能的无机非晶材料，该材料的发现在一定程度上突破了传统窄带隙半导体热电材料的限制，拓展了无机热电材料的多功能性和研究范畴，对热电材料、非晶材料乃至半导体材料领域都具有重要科学意义。