热电器件可基于热电效应对“热能”和“电能”双向转换，从而实现简单快速的热能回收和主动热管理，因此受到广泛应关注。针对功能快速拓展、功率不断提高的便携式电子设备（手机、平板电脑等），亟需利用柔性微型热电器件对其产生的热能进行有效回收与控制。但受限于柔性热电材料相较于块体材料的性能劣势和高精度微型器件集成的技术难度，目前柔性微型热电器件的研制一直是本研究领域的一个重要挑战。
近期，沈阳材料科学国家研究中心邰凯平研究员课题组、刘畅研究员课题组与合作者提出了一种普适性的一维范德华耦合诱导外延生长策略，突破了传统异质外延生长工艺衬底的限制，研制出了多种有序纳米晶体结构。基于这一制备技术，在单壁碳纳米管薄膜表面沉积具有高度有序结构的纳米晶，获得自支撑柔性复合热电材料，并通过理论计算阐明了纳米晶体高度有序生长的微观机制。研究表明，在300 ~ 370 K温度范围内，所制备的P型和N型SWCNT-(Bi,Sb)2Te3复合热电薄膜的平均热电优值（ZT)高于0.8。进而利用所制备P型和N型复合热电材料，首次研制出了微米级自支撑柔性热电发电和控温器件。在~30 K温差下的发电功率密度达到0.36 Wcm-2，400k时制冷功率密度为~92.5 Wcm-2，以上性能达到国际领先水平。该研究工作开发了一种新型复合热电材料的制备方法，并阐明其作用机理，为柔性微型热电器件在便携式电子设备领域的应用发展奠定了基础。
相关结果以“Flexible Carbon Nanotube-Epitaxially Grown Nanocrystals for Micro-Thermoelectric Modules”为题，于2023年10月16日发表在《Advanced Materials》期刊上。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省杰出青年基金和沈阳材料科学国家研究中心的资助。
图1. 单壁碳纳米管诱导高有序度纳米晶体材料的生长及其机制。
图2. 飞秒激光制备的微米级热电器件及其性能。
