拓展热电前沿：建立热电参数与多功能传感信号关联性及其应用研究

为解决传统热电材料在毒性、效率、稳定性及成本方面的应用瓶颈，研究人员聚焦于热电传感新方向，探索载流子动力学、材料性能与传感指标的关联机制，通过组分缺陷工程与机器学习优化策略，揭示了热电材料在物联网、健康监测及工业检测中的多功能应用潜力，推动了热电技术从能量转换向智能传感的跨越。

　　

热电材料（Thermoelectric materials, TE materials）长期以来被视为能源转换领域的明星材料，能够通过塞贝克效应（Seebeck effect）和帕尔帖效应（Peltier effect）实现热能与电能之间的直接转换，广泛应用于废热发电和固态制冷等领域。然而，尽管材料科学和制备技术不断进步，如Cu₂Se基材料实现了峰值zT（无量纲热电优值）~3.0，器件转换效率接近13.4%，PbSe基和Mg₃(Sb, Bi)₂基材料实现了超过70 K的制冷温差，有机多异质结聚合物也取得了zT=1.28的优异性能，其大规模商业化仍面临诸多挑战。这些挑战主要包括材料毒性（如Pb）、化学活性（如Mg）、高成本（如Ge）、有机材料稳定性差以及Bi_{2Te3的机械性能限制。此外，能量转换效率不高和长期运行稳定性不足也限制了其实际应用。}

近年来，研究人员开始跳出传统能源应用的框架，重新审视热电材料的本质特性——其对温度梯度的高度敏感性和实时电信号响应能力。这一特性为热电材料在多功能传感领域的应用提供了全新可能。例如，基于Mg₃(Sb, Bi)₂的材料在温度差作用下表现出快速、可重复的开路电压响应，可应用于远程探测、触觉反馈、液体识别和呼吸监测等场景。与传统的能源转换器件不同，热电传感器不需要驱动高功率设备，其低电压、高响应速度以及良好的信号重现性特别适合可穿戴设备和小型化传感系统。此外，由于传感环境通常不涉及高压或极端机械负荷，对材料的机械鲁棒性要求也相对较低。

尽管热电传感展现出巨大的潜力，相关研究仍处于起步阶段。大多数工作仍集中于块体材料的性能表征和基础信号记录，对载流子在信号产生、稳定和恢复过程中的动态行为缺乏深入理解。热电参数（电导率σ、塞贝克系数S、热导率κ）与传感关键指标（响应速度、信号幅值、恢复速率）之间的定量关系尚未建立，这严重制约了热电传感技术的进一步发展和应用拓展。

为此，Bangzhou Tian和Ran Ang在《iScience》上发表了前瞻性观点文章，提出了三个关键研究方向以推动热电传感技术的突破。第一，揭示电压信号演化中的载流子动力学过程。通过设计实验，在使用固定红外热源激励典型近室温热电材料（如Bi₂Te₃或Mg₃(Sb, Bi)₂）时记录实时电压曲线，结合密度泛函理论（DFT）和有限元模拟，分析载流子迁移行为。第二，建立热电参数与传感性能指标之间的量化关联。通过掺杂调控材料的σ、S、κ参数，并利用统计分析明确这些参数对传感指标的影响是源于单一参数还是多参数协同作用。第三，优化传感性能。在明确参数关联的基础上，借助机器学习与人工智能算法，从微观载流子动力学到宏观材料组成设计实现多尺度优化，全面提升响应速度、信号幅度和恢复速率。

本研究未涉及具体实验数据及样本队列，但提出了结合理论计算（如密度泛函理论）、仿真模拟（如有限元分析）、材料改性（如掺杂工程）和机器学习优化策略的研究路径，以系统揭示热电传感机制并指导高性能器件开发。

主要研究内容与结果包括以下方面：

载流子动力学在电压信号演化中的作用

通过调控温度梯度和能量密度，研究典型热电材料在热激励下的电压响应过程，结合理论计算揭示载流子迁移在信号生成与恢复中的动态机制，为理解热电传感的基本过程提供理论依据。

热电参数与传感指标的关联性研究

系统调制材料的电导率、塞贝克系数和热导率参数，通过实验与统计分析，明确了传感性能指标（如电压幅值和响应速度）与这些参数之间的依赖关系，证明某些情况下多参数协同效应优于单一参数调控。

机器学习辅助的传感性能优化

提出将人工智能算法应用于热电材料设计与性能优化，通过多目标策略同步提升响应速度、信号幅度和恢复速率，为复杂材料系统的性能预测与设计提供新途径。

多功能应用场景的拓展

研究展示了热电传感在多个领域的应用潜力，包括红外强度检测、运动方向与距离追踪、液体类型识别、呼吸状态监测和设备温度异常报警，突显其技术在物联网、健康医疗和工业监测中的广泛应用前景。

研究结论部分强调，热电传感技术正处于从能源转换工具向多功能感知解决方案转型的关键阶段。通过揭示载流子动力学行为、建立参数与性能的定量关系、并结合人工智能辅助优化，研究人员为下一代热电传感器在物联网、个性化医疗和智能工业监控中的应用奠定了坚实基础。这一研究不仅拓宽了热电材料的应用范围，也为解决毒性、效率及稳定性等传统问题提供了新思路，通过学科交叉与技术融合进一步推动了热电技术的发展。