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既能保留二維薄膜材料的力學柔性，又可以增加熱傳遞方向的距離。
如果說起「熱電效應」（thermoelectric effect）、「塞貝克效應」（Seebeck effect）這些專業名詞，很多讀者可能會感到陌生，但在日常生活和科研工作中，「熱電偶」溫度計並不少見。
這樣的熱電偶溫度計結構簡單、測量範圍廣，而且使用方便、測溫準確可靠，它的工作原理即為塞貝克效應——將兩種金屬或半導體的兩端緊密接觸形成回路，若此時兩個接觸點溫度不同，則會在回路中產生電流。溫差越大，則產生的電流越大。其中，以半導體相聯制成的回路能產生較大的電動勢，可以用作熱電發電器（thermoelectric energy generator）。
世間萬物皆會產生廢熱。熱電發電可以將這些廢熱轉化為電能以資利用，自然而然便成了近期的一大研究熱點。近年來發展火熱的物聯網被稱為繼計算機、互聯網之後世界信息產業發展的第三次浪潮，然而如何給物聯網中的微電子設備供能是一大難題。熱電發電器的應運發展，恰好成為最有前景的解決方案之一。其中，最有代表性的即為主要由二維薄膜熱電材料制成的柔性、微型熱電發電器，優異的幾何和力學特性使其在可穿戴電子等領域有著廣闊前景。然而，二維薄膜熱電發電器與采集環境的熱阻不匹配問題（thermal impedance mismatch）一直困擾研究者多年。與電阻類似，熱阻的大小與熱傳遞方向的距離密切相關。對於二維薄膜熱電發電器來說，這個距離受厚度所限，一般不超過幾個微米。當它工作於皮膚表面時（圖1a），熱傳遞方向的熱阻極小，導致溫差和熱電轉換效率大打折扣。一個最直接的解決方案是將二維材料卷起來並豎立在皮膚表面，從而大大提高熱傳遞方向的距離（圖1b）。可惜利弊相依，這種方案同時帶來了制備工藝上的困難和力學柔性上的犧牲。有沒有一種方法，既能保留二維薄膜材料的力學柔性，又可以增加熱傳遞方向的距離？
圖1：（a）二維薄膜微型熱電發電器置於皮膚表面的示意圖。（b）將薄膜卷曲豎立形成三維熱電發電器置於皮膚表面的示意圖。
最近，美國西北大學John A. Rogers教授、G. Jefferey Snyder教授和黃永剛教授課題組合作，在Science Advances上發表了題為「Compliant and stretchable thermoelectric coils for energy harvesting in miniature flexible devices」的論文，基於傳統半導體加工工藝，首次提出了利用非線性屈曲力學組裝來做到的一種三維微型熱電發電器。該策略首先在二維平面狀態下，通過光刻、轉印等技術將摻雜的單晶矽薄膜和金屬電極布置在預設形狀的聚合物保護層內，然後通過矽膠基底的受控壓縮屈曲形成三維結構。用該策略制成的三維微型熱電「彈簧」（如圖2所示）特徵尺寸僅為8微米，但通過三維變形，不僅將熱傳遞方向的距離（即基底到彈簧頂部的高度差）提高到毫米級別，更使其擁有著比二維平面設計更為出色的力學柔性與拉伸性——實驗測試結果顯示，該彈簧結構在超過200次面內循環拉伸（拉伸至原長160%）後仍然不會損壞，而且可以承受高達30%的面外壓縮應變。
圖2：三維微型熱電「彈簧」的光學照片。
基於有限元的器件熱、力學設計
為了充分發揮此類熱電彈簧的優勢，研究者使用有限元軟件ABAQUS對其進行了建模與優化。通過耦合的熱學、力學模擬計算，研究者發現，對於此類熱電彈簧來說，一種全新的「梯形」構型更利於在保證其力學的魯棒性的同時發揮其熱學性能。這種「梯形」構型的底部寬度較小，但頂端寬度是底部的兩倍，這樣的設計更利於熱電彈簧的有效散熱，從而提高其換熱效率。與此同時，結構中的「三明治」構型將脆弱易碎的單晶矽放置於被兩層聚合物的保護層之中，從而保證了其力學上的柔性。
可擴展性、熱電轉換性能及展望
這項新技術基於傳統半導體工藝，因此這些熱電彈簧可以在不增加制備步驟的情況下輕鬆地被復制、擴展成為大規模陣列。圖3展示了8 × 8的熱電彈簧陣列，以及它貼在人體表面的照片。該陣列的熱電轉換性能測試如圖4a所示，在19攝氏度的溫差下，器件的最大輸出功率約為2納瓦，開路電壓達到51.3毫伏，溫降達到6.2攝氏度（接近理論最優值9.5攝氏度，優於任何已有的二維微型熱電發電器設計）。如果將單晶矽換成其他更優秀的熱電薄膜材料，這些性能可以被進一步提高。如圖4b所示，在常溫下，單晶矽的熱電優值僅為0.001，屬於較差的熱電材料。若替換為熱電優值超過1的Bi2Te3-Sb2Te3無機薄膜材料，計算結果顯示相同的8 × 8陣列可以輸出超過10微瓦的功率——已經足夠給可穿戴微電子、傳感器供電。
圖3：三維微型熱電「彈簧」的8 × 8陣列（左），以及該陣列貼在皮膚表面的示意圖（右）。其局部放大圖（中上）與有限元模擬生成的三維仿真結果（中下）高度一致。有限元結果中的顏色對應著單晶矽層各處所受的應變（最大不超過自身的100.06%）。
圖4：（a）8 × 8陣列（圖3a）的熱電轉換性能測試結果。（b）基於相同的結構設計，若將單晶矽換為更優秀的熱電材料，計算顯示預計輸出功率將顯著提高。
作者及受資助情況
美國西北大學John A. Rogers教授、G. Jefferey Snyder教授和黃永剛教授為本文的共同通訊作者。美國伊利諾伊大學博士生南科望、美國加州理工學院博士生Stephen Dongmin Kang和美國西北大學博士生厲侃為本文的第一作者。參與該工作的還有清華大學太空航空學院張一慧副教授、武漢理工大學祝鋒博士、武漢理工大學肖漢斌教授等。該研究得到了國家自然科學基金、美國能源部項目基金、美國國家科學基金、韓國國家研究基金會等的支持。
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本文系網易新聞·網易號「各有態度」特色內容
