柔性电子的发展或使手机像纸一样轻薄，可穿戴设备也将变得更加轻便、舒适，可以实时监测我们的健康状况。未来我们的生活可能被各种柔性电子器件所包围。

目前用于柔性电子的电池“笨重僵硬”，限制了相关产品的灵活性和舒适性。这催生了对高性能、柔性热电材料的迫切需求。这些材料能够将热能直接转化为电能，比如捕捉周围环境甚至人运动产生的热能，从而为柔性电子器件提供持续的电力供应。

日前，浙江大学研究团队研发了一种具有高热电性能和高塑性的新型镁基热电材料，为解决柔性电子器件的能源供应问题指明了方向，具有重要的应用价值。

未来，可穿戴设备或将不再依赖传统电池，而是利用我们自身的体温、运动产生的热能，实现真正的“自供能”，令人抓狂的“电量焦虑”将成为过去。

相关论文以《高性能镁基塑性半导体助力柔性热电技术发展》（High performance magnesium-based plastic semiconductors for flexible thermoelectrics）为题发表在 Nature Communications 上，浙江大学材料科学与工程学院朱铁军、付晨光为共同通讯作者。

（来源：Nature Communications）

论文中提到，传统的无机热电材料通常具有较高的热电性能，但其脆性较大，难以应用于柔性器件。而有机热电材料虽然具有一定的柔韧性，但其热电性能远低于无机材料，无法满足实际应用的需求。

为了解决上述挑战，本次研究人员将目光聚焦在 Mg3Sb2-xBix 材料体系上。该体系以其低成本、高热电性能以及丰富的元素储量而备受关注。

图 |Mg3Sb2-xBix 的可塑性（来源：Nature Communications）

研究发现，Mg3Sb2 和 Mg3Bi2 这两种二元化合物在多晶状态下都具有超过30%的压缩应变，展现出优异的塑性。

更重要的是，通过优化铋含量，研究人员成功制备出 Mg3Sb0.5Bi1.498Te0.002 材料，该材料在室温下实现了 43% 的压缩应变和 0.72 的热电优值，远超现有的柔性热电材料，甚至可以与商用碲化铋材料相媲美。

此外，研究人员利用扫描透射电子显微镜对制备材料的微观结构进行了观察，以深入理解其塑性变形机制。结果表明，材料中存在大量的位错网络，这些位错网络促进了原子层滑移，从而实现了塑性变形。通过化学键分析，还发现 Mg3-Sb/Bi 键在滑移过程中能够保持稳定，有效地维持了材料的结构完整性，这也是 Mg3Sb2-xBix 材料具有高塑性的关键原因。

这为制备高集成度、微型化的柔性热电器件应用铺平道路。因为 Mg3Sb2-xBix 材料不仅具有优异的塑性，还具有较高的韧性。高韧性使得材料可以被切割成微米级的热电元件，而不会产生损伤。

为了验证在柔性热电器件中的应用潜力，研究人员利用高性能的 Mg3Sb0.5Bi1.498Te0.002 材料成功制备了平面型和垂直型柔性热电模块原型。测试结果表明，这些原型模块的性能远高于现有的有机柔性热电模块，展现出巨大的商业化应用前景。

图 | Mg3Sb2-xBix 的面内和面外热电模块（来源：Nature Communications）

同时，研究人员也指出，目前 Mg3Sb2-xBix 材料与电极之间的界面电阻仍然较高，限制了模块的输出性能。未来，通过优化界面材料和制备工艺，有望进一步提高 Mg3Sb2-xBix 柔性热电模块的性能，使其在柔性电子器件领域发挥更大的作用。

此外，近年来，由微米级热电元件制成的微型热电器件受到广泛关注，特别是在 5G 通信领域的潜在应用方面。Mg3Sb2-xBix 材料可以高效地制备出尺寸更小的热电元件，且成品率高，这将有利于其在微型热电模块中的应用和发展。

总结来说，本次研究提出了 Mg3Sb2-xBix 材料体系可以同时具备高热电性能和高塑性。并通过理论计算和实验观测，阐明了材料中特殊的化学键合方式和位错网络结构是其具有高塑性的关键因素，为后续设计和开发新型塑性热电材料提供了理论指导。而成功制备的基于该材料的柔性热电模块原型，展现出比传统柔性热电材料更优异的性能。

想象一下，未来的一个清晨，你戴上一副轻薄如纸的智能眼镜，支撑它的电量来自于你自身的体温。中午，你乘坐一辆无人驾驶汽车，车顶的柔性太阳能电池板源源不断地将阳光转化为电能。夜晚，你回到家，墙壁上的柔性传感器网络会根据你的体温、呼吸等指标自动调节室温。

这些科幻电影般的场景，正是兼具高性能和高柔韧性的新型热电材料所带来的无限可能。

（来源：问芯）

在此之前，高性能的热电材料通常都比较脆，而具有良好塑性的材料热电性能又不够理想，该研究成功突破了这一技术瓶颈。塑性材料通常具有更好的抗疲劳性能，能够在多次弯曲或变形后仍保持性能，这对于提高设备的长期稳定性和可靠性至关重要。

随着全球能源需求的增长，开发新型高效的能源转换和存储材料对于保障能源安全具有重要意义。塑性热电材料在这方面具有巨大的潜力。

Mg3Sb2-xBix 材料兼具高性能、高塑性、低成本等优点，且易于加工成微型器件，为下一代柔性电子器件的能源供应提供了新的解决方案。

本次研究不仅揭示了 Mg3Sb2-xBix 材料优异性能背后的微观机制，也为开发新型高性能柔性热电材料提供了新思路，并有助于为柔性电子器件提供高效、稳定的能源供应和推动柔性电子技术的进一步发展和应用。

可以预见，随着研究的深入和技术的进步，相关材料将在柔性电子（如可穿戴电子设备、电子皮肤）、物联网（如无线传感器网络、环境监测等）、医疗健康（如可植入式医疗器件、生物传感器）等领域发挥越来越重要的作用。

参考：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49440-5#author-information