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Science Adv.: 给可穿戴电子供能—柔软、可延展的微型热电“弹簧”

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Science Adv.: 给可穿戴电子供能—柔软、可延展的微型热电“弹簧”

发布日期:2018-11-18 作者:xy 点击:

   苏州弹簧厂假如说起“热电效应”(thermoelectric effect)、“塞贝克效应”(Seebeck effect)这些专业名词,很多读者可能会感到生疏,但在日常日子和科研作业中,苏州弹簧厂“热电偶”温度计并不罕见。
       这样的热电偶温度计结构简略、测量范围广,并且运用方便、测温精确牢靠,它的作业原理即为塞贝克效应——将两种金属或半导体的两端紧密接触苏州弹簧厂构成回路,若此刻两个接触点温度不同,则会在回路中发生电流。温差越大,则发生的电流越大。其间,以半导体相联制成的回路能发生较大的电动势,苏州弹簧厂以用作热电发电器(thermoelectric energy generator)。
      世间万物皆会发生废热。热电发电能够将这些废热转化为电能以资运用,天然苏州弹簧厂而然便成了近期的一大研讨热点。近年来开展炽热的物联网被称为继计算机、互联网之后国际信息产业开展的第三次浪潮,但是如何给物联网中的微电子设备供能是一大难题。热电发电器的应运开展,苏州弹簧厂刚好成为最有前景的解决计划之一。其间,最有代表性的即为主要由二维薄膜热电资料制成的柔性、微型热电发电器,优异的几许和力学特性使其在可苏州弹簧厂穿戴电子等范畴有着广阔前景。但是,二维薄膜热电发电器与采集环境的热阻不匹配问题(thermal impedance mismatch)一直困扰研讨者多年。与电阻类似,热阻的大小与热传递方向的间隔密切相关。对于二维薄膜热电发电器来说,这个间隔受厚度所限,一苏州弹簧厂般不超越几个微米。当它作业于皮肤外表时(图1a),热传递方向的热阻极小,导致温差和热电转化效率大打折扣。一个最直接的解决计划是将二维资料卷起来并竖立在皮肤外表,然后大大进步热传递方向的间隔(图1b)。惋惜利弊相依,这种计划一起苏州弹簧厂来了制备工艺上的困难和力学柔性上的牺牲。有没有一种方法,既能保留二维薄膜资料的力学柔性,又能够添加热传递方向苏州弹簧厂的间隔?
      a)二维薄苏州弹簧厂膜微型热电发电器置于皮肤外表的示意图。(b)将薄膜卷曲竖立构成三维热电发电器置于皮肤外表的示意图。
      近日,美国西北大学John A. Rogers教授、G. Jefferey Snyder教授和黄永刚教授课题组合作,在Science Advances上宣布了题为 “Compliant and stretchable thermoelectric coils for energy     harvesting in miniature flexible devices”的论文,根据传统半导体加工工艺,首次苏州弹簧厂提出了运用非线性委曲力学组装来实现的一种三维微型热电发电器。该战略首先在二维平面状态下,经过光刻、转印等技术将掺杂的单晶硅薄膜和金属电极布置在预设形状的聚合物保护层内,然苏州弹簧厂后经过硅胶基底的受控紧缩委曲构成三维结构。用该战略制成的三维微型热电“绷簧”(如图2所示)特征尺度仅为8微米,但经过三维变形,不只将热传递方向的间隔(即基底到绷簧顶部的高度差)进步到苏州弹簧厂毫米等级,更使其拥有着比二维平面规划更为超卓的力学柔性与拉伸性——实验测验成果显现,该绷簧结构在超越200次面苏州弹簧厂内循环拉伸(拉伸至原长160%)后依然不会损坏,苏州弹簧厂并且能够接受高达30%的面外紧缩应变。
根据有限元的器材热、力学规划
       为了充分发挥此苏州弹簧厂类热电绷簧的优势,研讨者运用有限元软件ABAQUS对其进行了建模与优化。经过耦合的热学、力学模拟计算,研讨者发现,对于此类热电绷簧来说,一种全新的“梯形”构型更利于在保证其力学的鲁棒性的一起发挥其热学功能。这种“梯形”构型的底部宽度较小苏州弹簧厂,但顶端宽度是底部的两倍,这样的规划更利于热电绷簧的有效散热,然后进步其换热效率。与此一起,结构中的“三明治”构型将软弱易碎的单晶硅放置于被两层聚合物的保护层之中,然后保证苏州弹簧厂了其力学上的柔性。
       可扩展性、热电转化功能及展望
        这项新技术根据传苏州弹簧厂统半导体工艺,因此这些热电绷簧能够在不添加制备过程的情况下轻松地被复制、扩展成为大规模阵列。图3展示了8 × 8的热电绷簧阵列,以及它贴在人体外表的照片。该阵列的热电转化功能测验苏州弹簧厂如图4a所示,在19摄氏度的温差下,器材的最大输出功率约为2纳瓦,开路电压到达51.3毫伏,温降到达6.2摄氏度(挨近理论最优值9.5摄氏度,优于任何已有的二维微型热电发电器规划)。假如将苏州弹簧厂单晶硅换成其他更优秀的热电薄膜资料,这些功能能够被进一步进步。如图4b所示,在常温下,单晶硅的热电优值仅为0.001,苏州弹簧厂属于较差的热电资料。若替换为热电优值超越1的Bi2Te3-Sb2Te3无机薄膜资料,计算成果显现相同的8 × 8阵列能够输出超越10微瓦的功率——现已足够给可穿戴微电子、传感器供电。
       三维微型热电“绷簧
苏州弹簧厂”的8 × 8阵列(左),以及该阵列贴在皮肤外表的示意图(右)。其部分放大图(中上)与有限元模拟生成的三维仿真成果(中下)高度一致。有限元成果中的色彩对应着单晶硅层各处所受的应变苏州弹簧厂(最大不超越本身的100.06%)。

       a)8 × 8阵列(图3a)的热电转化功能测验成果。(b)根据相同的结构规划,若将单晶硅换苏州弹簧厂为更优秀的热电资料,计算显现估计输出功率将显著进步。

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