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中科院大化所新型光热电探测器研究取得新进展,大连化物所新型光热电探测器研究取得新进展

澳门新匍京客户端下载 ,光热电探测器的响应度正比于材料的Seebeck系数(S)和材料两端的ΔT。传统光热电探测器采用的是Seebeck系数较低(通常小于200μV/K)的传统热电材料,例如Bi2Te3、Sb2Te3等,为了提高响应度,通常需采用微加工工艺来构造阵列结构,这显著增加了制备工艺的复杂性,提高了产品成本。该研究团队突破传统热电材料体系的限制,采用了具有较高室温Seebeck系数(约1000μV/K)的钛酸锶,同时借助SrTiO3在长波红外大气窗口的声子吸收来增强光热转换效率。结合这两个优势,单个SrTiO3光热电元件在10μm波长附近的响应度可达1.2V/W。进一步研究表明,SrTiO3光热电探测器的响应波长可从深紫外延伸至远红外,可承受光功率密度可以达到1000W/cm2。

光热电探测器是基于光热转换和热电转换两个基本能量转换过程的一种探测器。当光照射在热电材料的一端时,光能经过光热转换首先转化为热能,从而在热电材料两端建立温差。在温差的驱动下,载流子会向冷端扩散(即热电转换中的Seebeck效应),进而在材料两端建立电势差。

图2.多尺度孔隙结构设计示意图和纤维素/Bi2Te3复合柔性热电材料SEM结构表征

大连化物所新型光热电探测器研究取得新进展

近日,中科院大连化物所姜鹏研究员、包信和院士团队在新型光热电探测器开发研究中取得新进展,相关成果发表在《自然—通讯》上。

图5.复合柔性热电材料原位弯曲电学性能测试及利用人体体温与环境温差形成的热电压

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光热电探测器的响应度正比于材料的Seebeck系数和材料两端的ΔT。传统光热电探测器采用的是Seebeck系数较低(通常小于200μV/K)的传统热电材料,例如Bi2Te3、Sb2Te3等,为了提高响应度,通常需采用微加工工艺来构造阵列结构,这显著增加了制备工艺的复杂性,提高了产品成本。

图1.非平衡磁控沉积制备小角度倾转晶界Bi2Te3薄膜材料SEM显微结构分析和热电薄膜制冷器光学显微分析、台阶仪三维形貌分析和制冷器结构示意图

近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员姜鹏、中科院院士包信和团队在新型光热电探测器开发研究中取得新进展,相关成果发表在《自然-通讯》(Nature
Communications
)上。

相关链接doi.org/10.1038/s41467-018-07860-0

图4.XPS分析多尺度孔隙碲化铋复合材料以及3D纳米X射线成像分析复合薄膜材料以及界面能垒过滤低能载流子效应示意图

以上研究工作得到国家重点研发计划、大连化物所创新基金等的资助。

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研究表明,由于非平衡磁控溅射技术特点,碲化铋薄膜与纤维素界面结合紧密,沉积的名义厚度可达数十微米,能有效降低薄膜器件的内阻,提高热电转换的输出效率;纤维素/Bi2Te3独特的网络结构、多尺度孔隙结构和Bi2Te3薄膜尺度效应等赋予纤维素/Bi2Te3复合材料表现出良好的弯曲柔性;复合热电薄膜中的多尺度孔隙结构能有效散射声子降低热导率值,使其接近于Bi2Te3理论最低热导率;Bi2Te3薄膜表面存在本征的氧化层,当载流子在相邻纤维素表面Bi2Te3薄膜间传输时,界面处的氧化层可散射过滤低能载流子,明显提高Seebeck系数。因此,纤维素/Bi2Te3复合材料室温至473K的热电性能ZT值可达0.24~0.38,并有望通过载流子浓度优化而进一步提升。利用高精度微束激光平台,对该复合柔性热电材料进行裁剪和器件集成,演示验证基于该复合材料的柔性热电“发电机”。该项工作为探索高性能新型柔性热电材料提供了新的思路和解决方案,为柔性热电器件的实用化发展开辟了崭新方向。

该研究为开发新型高性能光热电探测器提供了全新的思路。另外,相比传统光热电探测器,SrTiO3光热电探测器价格便宜,环境友好,耐高温,器件性能优异且制备工艺简单,意味着SrTiO3光热电探测器具有广阔的实际应用价值。

光热电探测器具有自供电、非制冷、响应波长范围宽等优点,在光探测、红外热成像、温度监测等军用、民用领域具有重要的应用前景。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室研究员邰凯平课题组致力于从原子尺度设计和制备具有高度有序显微结构的热电薄膜材料和器件。利用物理气相沉积技术调控相邻晶粒为小角度倾转晶界,首次实现大面积制备面内和面外方向均为高度织构取向的Bi2Te3热电薄膜。研究表明,小角度倾转晶界能抑制其对载流子散射增强面内电导率,同时保持对声子的散射作用降低热导率,显著提高热电转换性能,是制备高性能Bi2Te3热电薄膜材料的有效方法。

光热电探测器是基于光热转换和热电转换两个基本能量转换过程的一种探测器。当光照射在热电材料的一端时,光能经过光热转换首先转化为热能,从而在热电材料两端建立温差(ΔT)。在温差的驱动下,载流子会向冷端扩散(即热电转换中的Seebeck效应),进而在材料两端建立电势差。光热电探测器具有自供电、非制冷、响应波长范围宽等优点,在光探测、红外热成像、温度监测等领域具有重要的应用前景。

研究团队突破传统热电材料体系的限制,采用了具有较高室温Seebeck系数(约1000μV/K)的钛酸锶,同时借助SrTiO3在长波红外大气窗口(8~14μm)的声子吸收来增强光热转换效率。结合这两个优势,单个SrTiO3光热电元件在10μm波长附近的响应度可达1.2V/W。进一步研究表明,SrTiO3光热电探测器的响应波长可从深紫外延伸至远红外,可承受光功率密度可以达到每平方厘米1000瓦。

该团队首次采用非平衡磁控溅射技术,以纤维素纸为基体,制备具有微米至纳米多尺度孔隙结构的碲化铋复合热电薄膜材料,如下图所示。

论文链接

中科院大化所新型光热电探测器研究取得新进展

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