單晶SnSe熱電纖維：從一維功能纖維到多維智能織物

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單晶材料由於其優越的機械穩定性、低光學損耗和優良的導電性能，在高性能光學和半導體工業中應用廣泛。傳統的單晶生長方法由於生長速度慢、製造條件嚴格、加工成本高等因素，限制了單晶材料的種類和應用範圍。有鑑於此，新加坡南洋理工大學魏磊教授團隊和中國科學院工程熱物理研究所張挺研究員團隊聯合康奈爾大學田芝婷教授團隊和北京航空航天大學趙立東教授團隊報導了一種新型的基於纖維熱拉法和雷射重結晶效應的單晶SnSe熱電纖維製造技術，突破了高品質單晶柔性熱電纖維的製備困難，實現了纖維單晶材料的大規模生長，為研發複雜而高效的熱電單晶纖維及其智能織物提供了新思路。這一成果近期發表在國際頂級材料期刊Advanced Materials。

整個聯合團隊通過緊密合作，成功的實現了一種 「兩步法」來實現具有穩定巖鹽結構和高熱電性能的超長單晶SnSe纖維。該方法首先利用熱拉絲工藝製得以SnSe材料為纖芯的纖維。所得的熱電纖維具有柔韌、超長、高機械穩定等特點，但具有多晶結構。其次，採用二氧化碳雷射器對SnSe纖芯進行定向熔化和再結晶處理，通過雷射熱掃描從而在整個纖維長度上實現單晶SnSe結構。理論和實驗研究均表明，所製造的單晶SnSe纖維具有較高的熱電性能。通過雷射重結晶處理，在862 K時，熱電優值ZT從0.58左右顯著提高到2。

本文研究亮點包括：（1）展示了一種通用可行的基於雷射熱效應的再結晶方法，可製造從微米到納米尺度直徑的超長SnSe單晶纖維。（2）實驗證明了SnSe單晶體，除常見的Pnma和Cmcm相外，還存在穩定的單晶巖鹽

相。在862 K時，

相的單晶纖維的ZT值高達2，遠大於多晶SnSe纖維的ZT值，與Cmcm相的單晶SnSe相當。同時，研究者對

相單晶SnSe材料在外部均勻受壓環境下的電子和熱輸運性能進行了理論研究，理論計算結果與熱電纖維實驗結果一致。（3）首次製造了具有高密度p型和n型SnSe微/納米線陣列的單根熱電纖維。並實現了纖維內柔性熱電器件的PN結構，為大面積、輕質、透氣、高性能的柔性可穿戴熱電智能織物器件提供了新思路。展示了單晶熱電纖維織物利用人體與環境的溫差持續發電的概念性演示。

綜上所述，整個聯合團隊展示了一種高效的SnSe單晶纖維製造方法。通過對雷射重結晶技術的精確控制，將熱拉絲過程中產生的多晶SnSe纖維轉化為具有巖鹽

相的單晶纖維。由此得到的單芯及多芯SnSe單晶纖維不僅具有高熱電性能，而且具有較高的機械柔韌性和穩定性，因此具有廣泛適用性，特別適用於柔性和可穿戴的熱電智能織物。更重要的是，纖維熱拉製造技術和雷射重結晶製造單晶纖維的工藝適用於各種半導體材料和熱電材料，這為多材料、多結構的定製功能性纖維提供了更多的可能。這些柔性纖維可使易碎的半導體微、納米線更易集成於其它功能性器件中，為柔性和可穿戴電子器件的研究提供新思路。

Single‐Crystal SnSe Thermoelectric Fibers via Laser‐Induced Directional Crystallization: From 1D Fibers to Multidimensional Fabrics

Jing Zhang, Ting Zhang, Hang Zhang, Zhixun Wang, Chen Li, Zhe Wang, Kaiwei Li, Xingming Huang, Ming Chen, Zhe Chen, Zhiting Tian, Haisheng Chen, Li-Dong Zhao, Lei Wei

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202002702

導師介紹

魏磊，新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院副教授。2005年本科畢業於武漢理工大學，2011年博士畢業於丹麥科技大學，2010-2014年在美國麻省理工學院進行博士後研究，2014年加入新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院任南洋助理教授，2019年升任副教授，2018年起任新加坡南洋理工大學光纖技術研究中心主任。主要從事光纖傳感、纖維光電子器件、複合材料纖維、智能織物、生物光纖交互和纖維內能量的產生和收集等方面的研究。在Nature、Nature Biotechnology、Nature Photonics、Advanced Materials 和 Nature Communications等學術期刊上發表論文100多篇。

魏磊

https://www.x-mol.com/university/faculty/60211

課題組網頁

www.leiweigroup.com

張挺，中國科學院工程熱物理研究所研究員，博士生導師。2014年於北京師範大學獲得物理學博士學位，同年進入中國科學院電工研究所任助理研究員從事柔性熱電能量轉換器件的研究。2015年至2019年赴新加坡南洋理工大學任Research Fellow，開展柔性可穿戴的多材料多功能纖維及器件的研究工作。2019年回國任職中科院工程熱物理研究所研究員。多年來致力於高性能熱電能量轉換材料與器件，熱傳導與餘熱回收利用技術，以及基於先進功能纖維的可穿戴柔性能源和傳感器件等方面的研究工作，取得了一系列優秀成果，在Nature Communications, Advanced Materials, Matter, Nano Energy, Nano Letters, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Advanced Science等學術期刊發表論文40餘篇。