武汉纺织大学陈玲教授团队：无机柔性热电材料：研究进展、优化策略与应用前景
引文格式
刘欣，吴立明，陈玲.无机柔性热电材料：研究进展、优化策略与应用前景[J].纺织工程学报，2026，4（1）：1-14.
LIU Xin, WU Liming, CHEN Ling. Inorganic flexible thermoelectric mate‐rials: Research progress,optimization strategies and application pros pects[J]. Journal of Advanced Textile Engineering, 2026, 4(1) :1-14.
研究背景
随着可穿戴电子设备、物联网及便携式医疗监测系统的迅猛发展，开发与之适配的可持续性自供能柔性电源已成为当前研究的焦点方向。柔性半导体温差热电发电技术可利用体温与环境间的温差直接将其转化为电能，为该目标的实现提供了极具前景的技术方案。
传统无机热电材料虽具有优异的热电性能，但本征脆性（断裂应变<1%）严重制约了其在柔性器件中的实际应用。有机热电材料虽具备良好柔性，但热电性能显著低于无机材料。热电性能与柔性间的固有矛盾已成为该领域发展的关键瓶颈。
鉴于此，武汉纺织大学陈玲教授团队等在《纺织工程学报》发表了题为“无机柔性热电材料：研究进展、优化策略与应用前景”的综述论文，打破传统无机材料的脆性桎梏，让 “声子玻璃 - 电子晶体” 的理想特性与柔性需求完美兼容，开启自供能柔性电子的全新赛道。
图1 (a) 传统热电装置示意图, (b) 柔性热电装置结构示意图
文章介绍
针对无机材料“高性能却脆性、柔性却低效”的核心矛盾，该综述系统梳理了无机柔性热电材料的两大发展路径：一是发掘具有本征柔性的新型无机半导体，二是通过微纳结构设计实现传统脆性材料的柔性化。
在材料体系方面，研究团队重点分析了四类关键材料的柔性机理与热电性能。银硫族化合物（Ag₂S、Ag₂Se）凭借独特的本征塑性机制，实现了柔性与热电性能的有效结合——Ag₂S在室温附近的α-β相变赋予其类似金属的延展性，Ag₂Se的层状结构允许面内滑移。通过阴离子位点合金化，Ag₂S基材料ZT值可提升至0.65以上；Ag₂Se与聚合物复合后功率因子高达1300 μW·m⁻¹·K⁻²，通过直接墨水打印制备的薄膜在400K时功率因子更达2191.5 μW·m⁻¹·K⁻²。
碲化铋基材料（Bi₂Te₃）作为室温热电性能最优的材料体系（ZT>1.0），其本征脆性曾是柔性化的最大障碍。研究显示，通过微纳结构设计可成功突破这一瓶颈：构建的“交错层”结构薄膜在经历1000次弯曲循环后仍能保持结构完整，功率因子达4.2 mW·m⁻¹·K⁻²（p型）和4.6 mW·m⁻¹·K⁻²（n型），在60K温差下功率密度达321 μW·cm⁻²，与刚性器件性能相当。
碳纳米管基复合材料凭借一维纳米结构的本征可变形性展现出极致柔性。通过“三重处理”策略，单壁碳纳米管薄膜功率因子提升至20.29 μW·cm⁻¹·K⁻²；采用选择性化学掺杂获得的取向碳纳米管纱线，p型与n型功率因子分别达4091 μW·m⁻¹·K⁻²和4739 μW·m⁻¹·K⁻²，基于该材料构建的600对PN器件在25K温差下可产生毫瓦级功率。
新兴塑性无机半导体（SnSe、Bi、Mg₃Sb₂）打破了“高性能与高柔性不可兼得”的传统认知。二维层状SnSe通过卤素掺杂在375K时功率因子提升至10.8 μW·cm⁻¹·K⁻²；通过机械轧制强化织构化，将脆性多晶Bi转变为塑性材料，同时保持27 μW·cm⁻¹·K⁻²的高功率因子；Mg₃Sb₂基材料通过Bi掺杂优化，室温下获得43%的压缩应变和ZT=0.72的优异性能。
图 2 (a) Ag₂Q 基材料的室温 ZT 值与塑性变形能力[37]; (b) Ag₂S 和 Ag₂Se 的晶体结构与相变过程[37]; (c) Bi₂Te₃、 (d) 碳纳米管、 (e)SnSe₂ 及(f) Mg₃Sb₂ 的晶体结构示意图
在新兴应用场景方面，该综述详细阐述了无机柔性热电材料的三大核心应用方向。可穿戴能量收集领域，基于Ag₂Se的柔性热电贴片在室内环境下可产生15~20 μW·cm⁻²的功率输出，足以驱动低功耗心率传感器；Bi₂Te₃基柔性器件在60℃温差下实现321 μW·cm⁻²的功率密度，为持续的健康监测提供了可靠的能源解决方案。固态制冷领域，掺杂小分子薄膜微型热电制冷器响应时间仅约25 μs，Bi₂Te₃基超薄制冷贴片仅需84 mA输入电流即可实现11.7℃温降，为高功率密度集成电路的微尺度热点消除提供了新思路。自驱动传感领域，基于Ag₂Se薄膜的电子皮肤可实现温度感知、触觉感知和材料识别等功能；CNFs/Al₂O₃-SiC双模电子皮肤在25~50℃范围内温度传感灵敏度达-1.291 ℃⁻¹，可应用于手势识别、呼吸监测等场景。此外，将柔性热电与太阳能技术集成的光伏-热电一体化器件，不仅可收集废热，还能通过散热提高光伏电池效率约2%。
图 3 (a) 对质量分数为 60%的 Ecoflex/氧化铝复合材料器件顶层施加热风时采集的热成像图; (b) 施加电流主动冷却过程中采集的热成像图; (c) 基于 Bi₂Te₃ 薄膜的单元器件作为制冷器的红外照片(输入电流 58.6 mA); (d) 其最大制冷温差(ΔTmax) 随输入电流的变化关系
在协同优化策略方面，研究系统归纳了提升材料性能的三大路径。提高柔性策略包括：通过多孔结构、层状堆叠等微结构调控优化应力分布；构建无机相与弹性聚合物基体的复合体系，如Ag₂Se/PDMS复合薄膜在半径小至1 mm的弯曲下仍能保持结构完整；通过界面工程增强结合强度。热电性能提升策略涵盖：元素掺杂优化载流子浓度；空位、位错等缺陷工程增强声子散射；异质结界面能带工程优化载流子输运。通过上述策略，p型(AgCu)₀.₉₉₈Te₀.₈Se₀.₁S₀.₁在343K时ZT达0.83，Ag₂(S,Se)-Ag₂Se三明治结构薄膜室温ZT达0.91，创下n型塑性半导体最高纪录。
表 1 无机柔性热电材料的优劣势剖析及改进策略概述
结论展望
尽管无机柔性热电材料研究已取得显著进展，但仍面临材料的机械稳定性与循环寿命、柔性与热电性能的本征权衡、界面问题与稳定性、制备工艺复杂性与规模性、机械耐久性不足以及热电器件集成难度大等关键技术挑战。
未来发展方向将呈现多维度、跨尺度的深度融合趋势：
在材料设计层面，融合第一性原理计算、分子动力学模拟与机器学习，构建精确的“力-电-热”多物理场耦合模型，理性设计兼具“声子玻璃-电子晶体”特性与本质柔韧性的新一代材料；
在微纳结构层面，向仿生、多级、功能梯度化的复杂结构演进，构建核壳结构纳米线阵列、动态自适应复合材料，利用可逆键网络实现自修复功能；
在界面与集成层面，发展波浪形互联电极、应力缓冲夹层及可承受反复形变的柔性键合技术，推进大面积印刷电子工艺；
在系统应用层面，将柔性热电模块与储能装置、信号处理电路及执行器深度融合，构成智能微系统，在可穿戴健康监测、柔性机器人、生物医疗等领域发挥关键作用。
随着材料基因工程、柔性力学、微电子集成与能源系统设计的跨学科协同推进，无机柔性热电技术必将突破现有的可穿戴能量收集应用范围，在精准医疗、软体机器人、深空探测等更多前沿领域发挥作用，为人类社会实现绿色、可持续的智能化未来提供核心底层技术保障。
研究团队
陈玲,现任武汉纺织大学全国重点实验室教授及博士生导师。她的研究专注于固态功能材料的探索,尤其在非线性光学材料和热电材料领域。1999 年于中国科学院福建物质结构研究所获得博士学位,随后于 2000 年至 2003 年在美国爱荷华州立大学进行博士后研究。2003 年回国任中国科学院福建物质结构研究所研究员, 2014 年调入北京师范大学, 2025 年 2 月起加入武汉纺织大学。她积极参与国际学术服务,2021 年起担任《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)国际顾问委员会委员, 2018 年起担任美国化学会期刊《晶体生长与设计》 (Crystal Growth & Design)副主编。2022 年担任国家自然科学基金重大项目首席科学家。迄今作为项目负责人主持了包括国家自然科学基金重大项目、重点研发计划课题、中科院重点部署项目等在内的国家级及省部级科研项目十余项。其研究工作获得了国家杰出青年科学基金、中科院百人计划、国家万人计划等人才项目支持,获得的奖项包括日本化学会杰出讲座奖(2008 年)和加拿大阿尔伯塔大学杰出讲座奖(2012 年)。
