通过气溶胶喷射打印的铋碲化物（Bi?Te?）纳米线结合强脉冲光烧结技术制备的柔性热电能量收集器件

《Materials & Design》：Flexible thermoelectric energy harvesting devices via aerosol jet printed bismuth telluride (Bi 2Te 3) nanowires and intense pulsed light sintering

柔性热电薄膜的气溶胶喷射印刷与脉冲光烧结制备及其性能优化

　　柔性热电装置在将废热能转化为电能方面展现出巨大潜力，尤其适用于可穿戴电子设备、软体机器人以及可弯曲传感器系统。这些装置能够在非平面或动态表面上实现良好适应性，因此在能量回收和可持续能源技术中备受关注。本研究中，我们通过气溶胶喷墨打印技术（AJP）在聚乳酸（PLA）纳米纤维基底上制备了基于Bi?Te?纳米线的柔性热电薄膜，并结合优化的脉冲光烧结（IPL）工艺，实现了高质量、高分辨率的热电薄膜制造。这一方法不仅克服了传统热电薄膜制造过程中对高温处理的依赖，还有效解决了柔性基底材料在高温下易变形或损坏的问题。

Bi?Te?及其衍生材料因其在接近室温下的较高性能因子（ZT值）、化学稳定性以及成熟的制造工艺，成为热电材料研究的重要对象。通过降低材料的维度，如将三维材料转化为一维纳米线，可以显著提升其热电性能。这种提升主要源于量子限域效应和对载流子传输的调控。然而，将Bi?Te?纳米结构集成到柔性、可扩展且成本效益高的设备中仍面临诸多挑战，包括材料的氧化、聚氨酯层的集成以及低温烧结工艺的优化。这些问题限制了热电纳米线系统在柔性设备中的应用，因此，开发适用于柔性基底的低温、高精度制造技术显得尤为重要。

本研究中，气溶胶喷墨打印技术因其能够在不使用掩膜的情况下，实现对多种材料的高分辨率沉积，而成为解决上述问题的关键方法之一。该技术利用100至300微米的气体聚焦喷嘴，能够在不损害柔性基底的情况下，实现对纳米线的均匀沉积。相比传统的喷墨打印（IJP）和丝网印刷，气溶胶喷墨打印在处理高长宽比填料方面具有更高的灵活性，能够减少堵塞风险，同时支持在复杂表面进行精确沉积。此外，通过使用脉冲光烧结技术，可以在较低温度下实现纳米线的快速烧结，从而进一步提高薄膜的密度，同时保持PLA纳米纤维层的完整性。

在本研究中，我们采用了气溶胶喷墨打印技术来沉积Bi?Te?纳米线，并通过脉冲光烧结进行后续处理。我们对喷墨打印参数进行了优化，包括雾化器流量、墨水流量、鞘气流量和打印速度，以确保沉积的均匀性和精确性。此外，为了提高打印质量，我们还对PLA纳米纤维基底进行了适当的预处理，确保其具有良好的表面润湿性和机械稳定性。在烧结过程中，我们通过调整烧结距离和脉冲次数，实现了对纳米线薄膜的高效烧结，同时避免了对PLA纳米纤维层的破坏。

实验结果表明，通过气溶胶喷墨打印和脉冲光烧结的结合，我们成功制备了具有高热电性能的柔性薄膜。在烧结后，Bi?Te?纳米线形成了紧密的网络结构，显著降低了粒子间的电阻，并促进了载流子的高效传输。这些改进对于提升热电性能至关重要。通过增加打印层数，我们观察到薄膜的电导率和Seebeck系数均有所提高，从而进一步增强了其热电性能。然而，与基于纳米片的Bi?Te?薄膜相比，本研究中纳米线结构的性能因子仍存在一定差距，这可能归因于纳米线之间更多的接触点，这些接触点可能会阻碍载流子的传输。因此，未来的研究可以集中在优化纳米线的排列方式以及改进合金比例，以进一步降低接触电阻并提升热电性能。

此外，本研究还展示了所制备的热电装置在实际应用中的潜力。通过将纳米线薄膜安装在工业管道的曲面上，我们成功实现了对废热的高效收集，并验证了其在不同温度梯度下的电压输出能力。实验结果表明，该装置在经历10次弯曲测试后仍能保持良好的导电性，但随着弯曲次数的增加，出现了机械性能下降的问题。因此，引入一种薄而柔韧的封装层，如聚二甲基硅氧烷（PDMS），可以有效缓解这一问题，提高装置的耐久性。未来的研究方向包括对封装材料的优化，以及对热电薄膜在长时间使用、温度循环和湿度暴露等环境下的稳定性测试，以确保其在实际应用中的可靠性。

综上所述，本研究为柔性热电设备的可扩展制造提供了一种新的方法。通过结合气溶胶喷墨打印和脉冲光烧结技术，我们不仅实现了对Bi?Te?纳米线的精确沉积，还有效提升了其热电性能。这一方法具有广泛的应用前景，特别是在可穿戴设备、软体机器人和可弯曲传感器系统等领域。未来的工作将进一步探索如何通过优化纳米线排列和封装策略，提高热电薄膜的机械稳定性和长期性能，从而推动其在工业和消费电子领域的实际应用。