近日，一项关于柔性光热电器件结构设计的创新研究在《Nano Letters》期刊上发表。该研究由来自中国科学技术大学精准智能化学国家重点实验室、化学系的Heng Wang, Xue-Fei Feng, Xin-Lin Li以及通讯作者Jian-Wei Liu*共同完成，并于2025年5月7日正式在线出版。这项研究题为“用于柔性光热电装置及多功能自供能传感器的致动器结构设计”，旨在解决柔性光热电（Photothermal-electric, PTE）器件在高效发电与多功能传感集成方面面临的挑战。
学术背景 柔性光热电器件能够将低品位热能（通常指低于200°C的废热或环境热）转化为电能，在太阳能转换、可穿戴电子设备等领域具有巨大应用潜力。这类器件不仅能产生绿色能源，还能感知温度并提升穿戴舒适度。然而，要在柔性器件内部创建足够大的温度梯度以实现最佳热电发电（基于塞贝克效应），同时集成高性能的多功能传感能力，一直是一个重大挑战。传统的优化策略包括采用外部热管理、设计特殊的空间构型（如薄膜、纳米阵列或螺旋结构）以及进行表面处理，但这些方法往往存在局限。近年来，将致动器（Actuator）集成到功能器件中成为一种变革性思路，特别是光驱动系统，因其可通过光热效应实现远程和局部控制而备受关注。本研究正是在此背景下，提出将热致动结构引入PTE器件，利用光诱导的热变形来创造显著的温差，从而同时提升发电性能并赋予器件多种自供能传感能力。
研究流程详述 本研究包含从材料制备、器件设计、优化到性能测试的完整工作流程，具体步骤如下：
1. 器件设计与材料制备： * 研究目标与对象： 开发一种集成了热致动单元的柔性PTE器件。核心研究对象包括作为热致动基底材料的聚酰亚胺（Polyimide, PI）薄膜和聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）层，以及作为热电转换材料的p型和n型掺杂单壁碳纳米管（Single-walled carbon nanotubes, SWCNTs）。 * 处理与实验方法： * 致动单元制备： 以10微米厚的黑色PI薄膜为基底，通过磁控溅射在其表面沉积100纳米厚的银（Ag）层作为反射层。随后，将PDMS（基体与固化剂比例为10:1）旋涂在Ag层上，并在室温下固化24小时，形成PDMS-PI双层致动结构。银层的作用是在器件弯曲时反射光线，减少弯曲区域的吸热，从而与未弯曲区域形成温度梯度。 * 热电材料制备： 采用低成本的掺杂改性SWCNTs作为热电材料。具体流程为：将500毫克SWCNTs分散于100毫升水中，使用细胞破碎仪处理1小时。取两份5毫升分散液，分别加入0.5毫升聚乙烯亚胺（Polyethylenimine, PEI）和25毫克聚丙烯酸（Polyacrylic acid, PAA）。PEI因其胺基的电子给体特性作为n型掺杂剂，而PAA则因其羧酸基团的亲水性，能吸附环境中的水和氧分子，导致SWCNTs发生p型掺杂。搅拌6小时后，获得PAA掺杂的p型SWCNTs和PEI掺杂的n型SWCNTs。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）表征证实了掺杂的成功和聚合物的附着。 * 器件集成： 采用基于挤出的印刷技术，将p型和n型SWCNTs墨水以交替的指状交错锯齿形图案印刷在PI基底的反面（非PDMS面），形成p-n异质结阵列。使用导电银浆形成电气连接。最后，沿印刷的锯齿形阵列进行激光切割，定义出独立的致动单元，每个单元之间保留2毫米未切割区域以维持结构完整性。在设计的结构中，PAA和PEI掺杂的SWCNTs沿着两个切割边缘印刷，并在单元尖端汇合形成p-n结。
2. 工作机制与性能优化： * 研究目标与对象： 阐明器件的光热致动与热电发电原理，并通过参数优化最大化其性能。 * 处理与实验方法： * 原理验证： 在光照下，PTE单元将光能转化为热能，导致温度升高。由于PI（热膨胀系数较低）和PDMS（热膨胀系数较高）之间的热膨胀失配，器件会垂直于未切割边缘发生弯曲。尖端弯曲角度可达180°，使得镀银面翻转向上面向光源，反射光线并限制尖端进一步升温；而靠近未切割基底的区域持续吸热，温度较高，从而沿单元垂直方向建立了稳定的温度梯度（通过红外热成像验证）。该温差在p型和n型SWCNTs之间产生塞贝克电势，驱动载流子流动产生电压。多个此类单元串联可累积输出电压。 * 参数优化实验： 为提升器件功率密度，系统优化了三个关键参数：PDMS层厚度、单元切割角度和边长。通过调整旋涂速度获得不同厚度的PDMS层，测量其对弯曲角度的影响；探究不同切割角度（0°至更大角度）对弯曲性能和自阴影效应的影响；在固定最优切割角度（60°）下，改变单元边长（0.4至2.0厘米），评估其对弯曲半径和输出电压的影响。所有实验均结合了COMSOL仿真与实测数据进行验证。
3. 多功能传感与疲劳测试： * 研究目标与对象： 验证器件作为自供能传感器对环境光强、物体温度和环境湿度的探测能力，并评估其作为柔性器件的机械耐久性和长期工作稳定性。 * 处理与实验方法： * 光强与温度传感： 使用氙灯模拟太阳光，将光强在40-120 mW/cm²范围内调节，测量器件输出电压的变化。将器件置于加热板上，改变底板温度（40至150°C），测量对应的输出电压。 * 湿度传感： 将器件反复置于不同相对湿度（59% RH至100% RH）的环境中，监测其电阻值的变化规律。 * 疲劳与稳定性测试： 对由三对p-n结构组成的器件进行弯曲耐久性测试，包括平行于致动弯曲方向和垂直于弯曲方向的反复弯曲，记录电阻随弯曲循环次数的变化。进行光暗循环测试，评估输出电压的重复性。进行长达6小时的连续工作测试，监测器件电阻和输出电压的稳定性。
主要结果 研究取得了系列重要结果，逻辑连贯地支撑了最终结论：
1. 材料特性与器件工作机制验证： 光谱吸收测试显示，PAA和PEI掺杂的SWCNTs墨水在280至1500纳米波长范围内吸收率接近100%，覆盖了大部分太阳光谱，PI薄膜本身对可见光的吸收也超过80%，确保了高效的光热转换。红外热成像清晰展示了器件在光照下弯曲后，尖端（低温区）与基底（高温区）之间形成的显著温度梯度（图2b）。温度随时间变化曲线（图2c）表明，高、低温区温度最终达到稳定，形成恒定的温差，这是热电发电的基础。电流-电压（I-V）特性测量表明，器件在光照和黑暗条件下均未表现出明显的光伏响应，确认其发电主要源于热电效应，而非光电效应。
2. 优化后的高性能发电： 通过参数优化，确定了最佳制备条件：PDMS厚度25微米、切割角度60度、边长1.2厘米。在此优化条件下，器件性能最大化。将六个优化后的致动单元串联，在20 K的温差下，最大输出功率达到约200 nW。计算得出的器件功率密度高达0.15 μW/cm²。与传统的平面网格结构PTE器件相比，这种锯齿形图案的热致动器在宽泛的入射光强范围内均表现出更优的热电性能，电压输出提升了30%。这直接归因于其独特的致动结构创造了更大的有效温差。
3. 卓越的多功能自供能传感性能： * 光强传感： 器件输出电压与环境光强呈高度线性关系（图3b），可用于精确感知环境光照强度。 * 温度传感： 器件输出电压与接触热源温度（40-150°C）也呈现优异的线性关系（图3c），显示出宽范围和高线性的温度传感能力。其材料的热稳定性保证了传感性能的可靠性。 * 湿度传感： 器件的电阻对环境湿度变化响应灵敏且可逆（图3e）。电阻值与相对湿度在两个湿度区间内呈线性相关（图3f）。这主要归因于PEI掺杂的SWCNTs对水分子的强烈吸附作用，改变了SWCNTs的电阻值。
4. 出色的机械耐久性与工作稳定性： 疲劳测试表明，器件在平行于致动弯曲方向上进行超过10,000次弯曲循环后，电阻仍保持稳定（图4a,b）。在垂直于弯曲方向上进行约3,000次循环后，性能开始衰减（图4c,d），这符合其结构力学特性。光暗循环重复性测试显示，输出电压在多轮测试中几乎保持不变（图4f）。长期运行测试（6小时）表明，器件电阻极其稳定，输出电压变化率保持在10%以内（图4g）。这些结果充分证明了该柔性器件在实际应用中的可靠性。
结论与价值 本研究成功开发了一种新型的PTE致动器，通过将热致动结构与PTE器件创新性集成，实现了高效的光热电转换和多功能自供能传感。该器件利用PDMS-PI复合结构的受光弯曲特性，自发产生并维持了驱动热电发电所需的温度梯度，其优化的结构设计实现了0.15 μW/cm²的功率密度。更重要的是，该器件能够将环境参数（光、热、湿度）的变化直接转化为电信号，无需外部供电即可作为传感器工作。
科学价值： 这项工作为在热电器件中创造温度梯度提供了一种全新的结构设计思路，即利用致动器的光热机械变形来主动调控热场分布，突破了传统被动式热管理方法的局限。它展示了将能量转换（光-热-电）与机械形变、环境传感有机融合的可能性，为柔性电子、智能材料领域提供了新的器件构建范式。
应用价值： 该器件集发电与传感于一体，且具备柔性、可穿戴特性，在可穿戴绿色能源收集、环境监测（如光照、温湿度）、电子皮肤、智能纺织品以及自供能的物联网传感器节点等方面具有广阔的应用前景。尽管在能量转换过程中存在损耗，但其核心创新在于将日常生活中的废热或环境能量转化为有价值的电能和信息源，符合可持续发展理念。
研究亮点 1. 结构创新： 首创性地将光热致动单元与热电转换单元一体化设计，利用材料热膨胀系数差异引发的光致弯曲，主动、高效地创造了空间温度梯度，这是提升柔性PTE器件性能的关键。 2. 高性能与多功能集成： 在单一柔性器件上同时实现了有竞争力的热电发电功率密度（0.15 μW/cm²）以及对光强、温度、湿度三种环境参数的高灵敏度、线性、自供能传感，展示了高度的功能集成度。 3. 材料与工艺优势： 采用低成本、可溶液加工、易于印刷的掺杂SWCNTs作为热电材料，并结合挤出印刷和激光切割等可扩展的制备工艺，有利于未来大规模生产和实际应用。 4. 优异的机械可靠性： 器件经过系统的疲劳和稳定性测试，在反复弯曲和长期工作条件下表现出良好的耐久性，满足了柔性电子设备的基本要求。
其他有价值内容 研究还通过支持信息提供了丰富的补充数据，包括SWCNTs掺杂后的FTIR和SEM表征、塞贝克系数随温度的变化曲线、器件弯曲动态过程的光学图像、不同参数（PDMS厚度、切割角度、边长）优化过程的详细数据图、与传统平面结构的性能对比图以及COMSOL仿真结果等。这些数据为理解和复现该研究工作提供了坚实支撑，也进一步印证了结论的可靠性。此外，文中提及的利用器件电阻变化感知湿度的机理，为开发新型无源湿度传感器提供了参考。